Den fulde UV-synlige-IR-komposit af XDF; det største billede nogensinde frigivet af det fjerne universum. Hver galakse, der vises her, vil til sidst accelerere væk fra os med større end lysets hastighed takket være mørk energi. Billedkredit: NASA, ESA, H. Teplitz og M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) og Z. Levay (STScI).

En ny forklaring på mørk energi: sagen i vores univers

Hvordan tyngdekraften Casimir-effekten kan forårsage vores Universes accelererede ekspansion uden overhovedet nogen ny fysik.

”For selv om det helt sikkert er rigtigt, at kvantitative målinger er af stor betydning, er det en alvorlig fejl at antage, at hele den eksperimentelle fysik kan bringes under denne overskrift.” -Hendrik Casimir

Siden udvidelsen af ​​universet først blev fundet at accelerere for næsten 20 år siden, har forskere længtes efter en overbevisende, enkel og testbar forklaring. Efterhånden som flere og flere data fra eksperimenter og observationer er kommet ind, er årsagen til denne mørke energi - den hypotetiserede årsag til accelerationen - blevet vanvittigt svækkende. Selvom det funktionelt svarer til en "kosmologisk konstant" (eller "energien iboende i selve rummet"), er der ingen god måde at nå frem til en forudsigelse for dens værdi. Men hvis du overvejer, at det at placere bestemte former for stof i det tomme rum ændrer kræfterne i den sag, måske kommer mørk energi fra den enkleste årsag til alle: det faktum, at vores univers overhovedet indeholder stof.

Et kort over det klumpende / klyngende mønster, som galakser i vores univers viser i dag. Tilstedeværelsen af ​​disse strukturer kan muligvis forklare tilstedeværelsen og størrelsen af ​​mørk energi i sin helhed. Billedkredit: Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center.

De fleste af kræfter og fænomener i universet har årsager, der let kan afdækkes. To massive genstande oplever en tyngdekraft på grund af, at rumtid er krummet af tilstedeværelsen af ​​stof og energi. Universet har ekspanderet som det har gennem sin historie på grund af universets skiftende energitetthed og de oprindelige ekspansionsbetingelser. Og alle partikler i universet oplever de interaktioner, de foretager på grund af de kendte regler for kvantefeltteori og udveksling af vektorbosoner. Fra de mindste, subatomære partikler til de største skalaer af alle, er de samme kræfter, der holder alt fra protoner til mennesker til planeter til galakser sammen.

Den stærke kraft, der fungerer som den gør på grund af eksistensen af ​​'farveladning' og udvekslingen af ​​gluoner, er ansvarlig for den kraft, der holder atomkerner sammen. Billedkredit: Wikimedia Commons bruger Qashqaiilove.

Selv nogle af de mere mystiske fænomener har underliggende forklaringer, der er godt forstået. Vi ved ikke, hvordan der skal være mere materie end antimaterie i universet, men vi ved, at de betingelser, vi har brug for det - krænkelse af antallet af baryon, ud af ligevægtsbetingelser og C- og CP-krænkelse - alle findes. Vi ved ikke, hvad arten af ​​mørk stof er, men dens generiske egenskaber, hvor den er placeret og hvordan den klumper sig sammen er godt forstået. Og vi ved ikke, om sorte huller bevarer information eller ej, men vi forstår de endelige og indledende tilstande for disse objekter, såvel som hvordan de bliver, og hvad der sker med deres begivenhedshorisonter over tid.

Illustration af et sort hul og dets omgivende, accelererende og infalling tiltrædelsesdisk. De oprindelige og sidste tilstande af sorte huller kan forudsiges godt, selvom tab eller opbevaring af information ikke kan for tiden. Billedkredit: NASA.

Men der er en ting, vi slet ikke forstår: mørk energi. Selvfølgelig kan vi måle universets acceleration og bestemme nøjagtigt, hvad dens størrelse er. Men hvorfor har vi et univers med en ikke-nul værdi for mørk energi overhovedet? Hvorfor skal tomt rum, blottet for alt - uanset hvad, ingen krumning, ingen stråling, intet - have en positiv energi uden null? Hvorfor skulle det få universet til at udvide sig med en altid positiv og aldrig nående retning mod nul? Og hvorfor skulle den mængde energi, som den har været så utroligt lille, at den var helt umærkelig i de første få milliarder år af universets historie og først kom til at dominere universet omkring det tidspunkt, hvor Jorden blev dannet?

En illustration af en protoplanetær disk, hvor planeter og planetesimaler først dannes og skaber 'huller' på disken, når de gør det. For omkring fem til fem milliarder år siden, da vores solsystem blev dannet, kom mørk energi samtidig til at dominere universets ekspansionshastighed og energitæthed. Billedkredit: NAOJ.

Der er mange ting, vi kan bemærke om mørk energi, og Universet, som er interessante og antydende om en forbindelse. Der er meget tom plads, og vi ved, at der er kvantefelter i det hele. Der er ingen regioner i universet, hvor tyngdekraften, elektromagnetiske eller nukleare kræfter ikke kan nå; de er absolut overalt. Hvis vi prøver at beregne, hvad vi kalder vakuumforventningsværdien (VEV) for de forskellige kvantefelter derinde, kan vi først ud af det kun gøre det ca. . Hvis vi på noget tidspunkt beskærer serien, kan vi tilføje, hvad de omtrentlige bidrag er, og vi afvikles meget skuffede.

Et par udtryk, der bidrager til nulpunktenergien i kvanteelektrodynamik. Billedkredit: RL Jaffe, fra https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Hvis vi gør denne matematik, slutter vi med bidrag, der er cirka 120 størrelsesordener for store, både positive og negative. Så vidt vi kan fortælle, annullerer de ikke nøjagtigt, og selvom de gjorde det, har vi stadig det irriterende observationsproblem, at universet ikke recollaps, bremser eller asymptoting til en nul hastighed; det er virkelig, virkelig accelererende. På en eller anden måde er der en lille, men ikke-nul energi, der er iboende i selve rummet. Og denne energi får de fjerne galakser i universet til at fremskynde i deres recession fra os, omend meget langsomt over tid.

De fire mulige skæbner i vores univers ind i fremtiden; den sidste ser ud til at være universet, vi lever i, domineret af mørk energi. Billedkredit: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Det største teoretiske spørgsmål af alt er måske hvorfor? Hvorfor accelererer universet? Vi har bogstaveligt talt ingen god forklaring på, hvad der er årsagen til denne mørke energi. Vi kiggede for nylig på muligheden for, at det er frosne neutrinoer, eller det kan være et symptom på, at vi har noget galt med det ekspanderende univers. Men der er en anden mulighed, der får meget lidt opmærksomhed, som burde få meget mere: det kan være en egenskab med tomt rum i sig selv, der er forårsaget af tilstedeværelsen af ​​andre ting - som stof, der fungerer som en effektiv grænse - i universet.

Og grunden til, at dette er muligt, er, at dette er en virkning, som vi ved, at den findes: Casimir-effekten.

En illustration af Casimir-effekten, og hvordan kræfterne (og tilladte / forbudte tilstande i det elektromagnetiske felt) på ydersiden af ​​pladerne er forskellige fra kræfterne på indersiden. Billedkredit: Emok / Wikimedia Commons.

Hvad er den elektromagnetiske kraft i tomrum? Det er selvfølgelig intet. Uden ladninger, ingen strømme og uanset om at påvirke er det virkelig nul; det er ikke et trick. Men hvis du lægger to metalplader en begrænset afstand fra hinanden og derefter spørger, hvad den elektromagnetiske kraft er, vil du opdage, at det ikke er nul! På grund af det faktum, at nogle af vakuumsvingningstilstande er forbudt på grund af pladernes grænser, forudsiger vi ikke kun, men måler vi en ikke-nulkraft mellem disse plader, der stammer fra intet andet end tom plads i sig selv. Som det viser sig, udviser alle kræfter, inklusive tyngdekraften, en Casimir-effekt.

Et kort over mere end en million galakser i universet, hvor hver prik er sin egen galakse. De forskellige farver repræsenterer afstande, og rødere repræsenterer længere væk. Billedkredit: Daniel Eisenstein og SDSS-III-samarbejdet.

Så hvad sker der, hvis vi anvender denne virkning på hele universet og forsøger at beregne, hvad virkningen burde være? Svaret er enkelt: vi får noget, der har en form, der stemmer overens med mørk energi, skønt - endnu en gang - størrelsesordenen er forkert. Dette er dog muligvis en funktion af det faktum, at vi ikke ved, hvordan universets grænsevilkår ser ud, eller hvordan vi beregner denne kvantegravitationseffekt meget godt. Men det er en utrolig, godt undersøgt mulighed, der har masser af interessante udviklinger, der pågår i det sidste årti.

3D-rekonstruktionen af ​​120.000 galakser og deres klyngeegenskaber udledes af deres rødskift og struktur i stor skala. Billedkredit: Jeremy Tinker og SDSS-III-samarbejdet.

Kortlægning af universet kan vise sig at være den lette del. Måske vil det ikke være et observationsmæssigt eller eksperimentelt gennembrud, der vil føre os til at forstå mørk energi, universets mest undvigende kraft. Måske er det en teoretisk, der er nødvendig. Og måske er det relateret til sporanomalien, måske er det en dynamisk mængde, der er ændret over tid, og måske er det endda et tegn på ekstra dimensioner. Universet er derude, og vi har først for nylig afsløret denne mest vanskelige at forklare hemmelighed. Måske ligger løsningen, hvis vi er forsigtig, i den fysik, vi allerede kender.

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.