Γιατί το μικροσκοπικό βάρος του κενού χώρου είναι ένα τόσο μεγάλο μυστήριο

Η αμφισβητούμενη ιδέα ότι το σύμπαν μας είναι απλώς μια τυχαία φυσαλίδα σε ένα ατελείωτο, αφρίζον πολυσύμπαν προκύπτει λογικά από το πιο αβλαβές χαρακτηριστικό της φύσης: τον κενό χώρο.


Συγκεκριμένα, ο σπόρος της υπόθεσης του πολυσύμπαντος είναι η ανεξήγητα μικροσκοπική ποσότητα ενέργειας που εγχέεται στον κενό χώρο -ενέργεια γνωστή ως ενέργεια κενού, σκοτεινή ενέργεια ή κοσμολογική σταθερά. Κάθε κυβικό μέτρο κενού χώρου περιέχει μόνο αρκετή ενέργεια για να ανάψει ένα λαμπτήρα για 11 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου (~ 10-9 joules ανά κυβικό μέτρο. ).

Η ποσότητα ενέργειας που υπάρχει στον κενό χώρο φαίνεται να είναι πολύ μικρή για να την εξηγήσει κανείς χωρίς ένα πολυσύμπαν. Αλλά οι φυσικοί έχουν τουλάχιστον μια εναλλακτική λύση για να την εξερευνήσουν.

Το παράξενο εδώ είναι ότι το κενό θα έπρεπε να είναι τουλάχιστον τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές πιο ενεργητική, εξαιτίας όλων των πεδίων της ύλης και της δύναμης που διέρχονται από αυτό. Κατά κάποιο τρόπο οι επιδράσεις όλων αυτών των πεδίων στο κενό σχεδόν εξισορροπούνται, δημιουργώντας έτσι μια ήρεμη ακινησία. Γιατί όμως είναι ο κενός χώρος είναι τόσο άδειος;

Ενώ δεν γνωρίζουμε την απάντηση στην ερώτηση αυτή – το περίφημο «κοσμολογικό πρόβλημα» – η ακραία κενότητα του κενού μας χώρου φαίνεται αναγκαία για την ύπαρξή μας. Σε ένα σύμπαν που έχει διαποτιστεί με ακόμη μεγαλύτερη ποσότητα αυτής της βαρυτικά απωστικής ενέργειας, ο χώρος θα διαστελλόταν πολύ γρήγορα για να σχηματιστούν δομές όπως είναι οι γαλαξίες, οι πλανήτες ή οι άνθρωποι. Αυτή η καλά προσαρμοσμένη κατάσταση υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός συμπάντων, όλα με διαφορετικές δόσεις ενέργειας κενού, και που τυχαίνει να ζούμε σε ένα εξαιρετικά χαμηλό ενεργειακό σύμπαν, διότι δεν θα μπορούσαμε να βρεθούμε οπουδήποτε αλλού.

Μερικοί επιστήμονες σκέφτονται με βάση την ταυτολογία της «ανθρωπικής λογικής» και αντιπαθούν το πολυσύμπαν ως κάτι το ανυπόστατο. Ακόμα και εκείνοι που είναι ανοιχτοί στην ιδέα των πολυσυμπάντων θα ήθελαν να έχουν εναλλακτικές λύσεις στο κοσμολογικό διαρκές πρόβλημα, που θα πρέπει να διερευνηθεί. Αλλά μέχρι στιγμής έχει αποδειχθεί σχεδόν αδύνατο να λυθεί χωρίς την ύπαρξη ενός πολυσύμπαντος. «Το πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας είναι τόσο ακανθώδες, τόσο δύσκολο, που οι άνθρωποι δεν έχουν μία ή δύο λύσεις», δήλωσε ο Raman Sundrum, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Maryland.

Για να καταλάβετε το γιατί, εξετάστε ποια είναι η ενέργεια του κενού στην πραγματικότητα. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν λέει ότι η ύλη και η ενέργεια λένε στον χωροχρόνο πώς να καμπυλώνεται και η καμπυλότητα του χωροχρόνου λέει στην υλοενέργεια πώς να κινηθεί.

Ένα αυτόματο χαρακτηριστικό των εξισώσεων αυτών είναι ότι ο χωροχρόνος μπορεί να έχει τη δική του ενέργεια – το σταθερό ποσό που παραμένει όταν δεν υπάρχει τίποτα άλλο, την οποία ο Αϊνστάιν χαρακτήριζε ως κοσμολογική σταθερά. Για δεκαετίες, οι κοσμολόγοι υπολόγισαν ότι η τιμή της ήταν ακριβώς μηδενική, δεδομένου του εύλογα σταθερού ρυθμού διαστολής του σύμπαντος, και αναρωτήθηκαν το γιατί. Αλλά τότε, το 1998, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι η επέκταση του Κόσμου στην πραγματικότητα επιταχύνεται βαθμιαία, υποδηλώνοντας έτσι την ύπαρξη μιας απωθητικής ενέργειας που διαπερνά τον χώρο.
Ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια από τους αστρονόμους, ενώ σίγουρα ισοδυναμεί με την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν. Η παρουσία της προκαλεί την επέκταση του Κόσμου ολοένα και πιο γρήγορα, επειδή, καθώς αυτός επεκτείνεται, σχηματίζεται ολοένα και νέος χώρος και η συνολική ποσότητα απωθητικής ενέργειας στον Κόσμο αυξάνεται.



Η σκοτεινή ενέργεια, αντίθετα από την ύλη, δεν συγκεντρώνεται κάπου σε μεγαλύτερες ποσότητες και αλλού σε μικρότερες. Από την ίδια την φύση της, διασκορπίζεται παντού ομαλά με την ίδια πυκνότητα, περίπου 10-26 kg ανά κυβικό μέτρο ή περίπου 10-9 joules ανά κυβικό μέτρο, ισοδύναμο με μια χούφτα ατόμων υδρογόνου. Όλη η σκοτεινή ενέργεια στο ηλιακό σύστημά μας ανέρχεται στην μάζα ενός μικρού αστεροειδούς, κάνοντας την εντελώς αδύνατη να επηρεάσει τον χορό των πλανητών. Τα αποτελέσματά της ξεχωρίζουν μόνο όταν αντιμετωπίζεται σε απέραντες αποστάσεις και εκτάσεις του χώρου.

Ωστόσο, η υποτιθέμενη πυκνότητα αυτής της ενέργειας του κενού αντιτίθεται σε ό,τι μας λέει η κβαντική θεωρία πεδίων (μια τεράστια ενεργειακή πυκνότητα του κενού περίπου 10 96 kg ανά κυβικό μέτρο), η γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής, για τον κενό χώρο. Ένα κβαντικό πεδίο είναι άδειο όταν δεν υπάρχουν διακυμάνσεις σωματιδίων που διαπερνούν αυτό. Αλλά λόγω της αρχής της αβεβαιότητας στην κβαντική φυσική, η κατάσταση ενός κβαντικού πεδίου δεν είναι ποτέ βέβαιη, οπότε η ενέργεια του δεν μπορεί ποτέ να είναι ακριβώς μηδενική. Σκεφτείτε ένα κβαντικό πεδίο που αποτελείται από λίγα ελατήρια σε κάθε σημείο του χώρου. Τα ελατήρια πάντα ‘τρέμουν’, επειδή βρίσκονται μέσα σε κάποιο αβέβαιο εύρος από το πιο χαλαρό μήκος τους. Είναι πάντα λίγο συμπιεσμένα ή τεντωμένα και επομένως πάντα σε κίνηση, διαθέτοντας κάποια ενέργεια. Αυτό ονομάζεται ενέργεια μηδενικού σημείου του πεδίου. Τα πεδία δύναμης έχουν θετικές ενέργειες μηδενικού σημείου, ενώ τα πεδία της ύλης έχουν αρνητικά, και αυτές οι ενέργειες προσθέτονται και αφαιρούνται από τη συνολική ενέργεια του κενού.

Η συνολική ενέργεια κενού πρέπει να ισούται σχεδόν με τον μεγαλύτερο από αυτούς τους συντελεστές που συμβάλλουν. (Ας υποθέσουμε ότι λαμβάνετε ένα δώρο 10.000 $, ακόμη και αφού δαπανήσετε $ 100 ή βρείτε $ 3 στον καναπέ, θα έχετε ακόμα περίπου 10.000 δολάρια.) Ωστόσο, ο παρατηρούμενος ρυθμός κοσμικής διαστολής δείχνει ότι η τιμή του είναι μεταξύ 60 και 120 τάξεις μεγέθους μικρότερο από ορισμένες συμβολές της ενέργειας μηδενικού σημείου σε αυτό, σαν να έχουν ακυρωθεί κάπως οι διάφοροι θετικοί και αρνητικοί όροι. Για να υπολογίσουμε με κάποιον φυσικό μηχανισμό αυτή την εξίσωση είναι εξαιρετικά δύσκολο για δύο κύριους λόγους.

Πρώτον, το μόνο αποτέλεσμα της ενέργειας του κενού είναι βαρυτικό, και έτσι φαίνεται να απαιτεί έναν βαρυτικό μηχανισμό. Αλλά στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, όταν ένας τέτοιος μηχανισμός μπορεί να είχε λειτουργήσει, ο κόσμος ήταν τόσο μικρός που η συνολική του ενέργεια κενού ήταν αμελητέα σε σύγκριση με την ποσότητα της ύλης και της ακτινοβολίας. Η βαρυτική επίδραση της ενέργειας του κενού θα ήταν εντελώς μικροσκοπική από τη βαρύτητα.. «Αυτή είναι μια από τις μεγαλύτερες δυσκολίες στην επίλυση του προβλήματος της κοσμολογικής σταθεράς», γράφει ο φυσικός Raphael Bousso το 2007. Ένας μηχανισμός βαρυτικής ανάδρασης που ρυθμίζει με ακρίβεια την ενέργεια του κενού εν μέσω των συνθηκών του πρώιμου σύμπαντος, δήλωσε, «μπορεί να συγκριθεί σε μεγάλο βαθμό με ένα αεροπλάνο που ακολουθεί μια προκαθορισμένη διαδρομή πτήσης με ατομική ακρίβεια, προς μια καταιγίδα».

Συνθέτοντας τις δυσκολίες, οι υπολογισμοί της κβαντικής θεωρίας πεδίου υποδεικνύουν ότι η τιμή της ενέργειας του κενού θα άλλαξε προς απόκριση των μεταβολών φάσης στο ψυχόμενο σύμπαν λίγο μετά το Big Bang. Αυτό εγείρει το ερώτημα πότε ο υποθετικός μηχανισμός που εξισώνει την ενέργεια κενού έλαβε χώρα πριν ή μετά αυτών των μετατοπίσεων. Και πώς θα μπορούσε ο μηχανισμός να γνωρίζει πόσο μεγάλα θα ήταν τα αποτελέσματά τους, για να τα αντισταθμίσουν;

Μέχρι στιγμής, αυτά τα εμπόδια έχουν αποτρέψει τις προσπάθειες να εξηγηθεί το μικροσκοπικό βάρος του κενού χώρου χωρίς να καταφύγουμε σε ένα πολυσύμπαν. Όμως, πρόσφατα, ορισμένοι ερευνητές εξερεύνησαν ένα άλλο πιθανό δρόμο: Αν το σύμπαν δεν είχε αρχίσει να υπάρχει με ένα bang, αλλά είχε “αναπηδήσει” από μια προηγούμενη φάση συμπαντικής συστολής, τότε το συστελλόμενο σύμπαν στο μακρινό παρελθόν θα ήταν τεράστιο και θα κυριαρχείται από την ενέργεια του κενού. Ίσως κάποιος βαρυτικός μηχανισμός θα μπορούσε να είχε δράσει πάνω στην άφθονη ενέργεια κενού και στη συνέχεια να την αραίωσε με φυσικό τρόπο με την πάροδο του χρόνου. Αυτή η ιδέα παρακίνησε τους φυσικούς Peter Graham, David Kaplan και Surjeet Rajendran να ανακαλύψουν ένα νέο κοσμικό μοντέλο αναπήδησης, αν και έχουν ακόμα να δείξουν πώς το κενό που αραίωσε στο συστελλόμενο σύμπαν θα μπορούσε να δουλέψει.

Ο θεωρητικός φυσικός και κοσμολόγος Raphael Bousso αποκάλεσε την προσέγγισή του «μια πολύ αντάξια προσπάθεια» και «έναν ενημερωμένο και ειλικρινή αγώνα με ένα σημαντικό πρόβλημα». Αλλά πρόσθεσε ότι τα τεράστια κενά στο μοντέλο παραμένουν και «τα τεχνικά εμπόδια για την κάλυψη αυτών των κενών και το να γίνει λειτουργικό είναι σημαντικό. Η κατασκευή είναι ήδη πολύπλοκη και στην καλύτερη περίπτωση θα γίνει ακόμη πιο περίπλοκο από τη στιγμή που θα γεμίσουν αυτά τα κενά.» Αυτός και άλλοι θεωρητικοί του πολυσύμπαντος βλέπουν την απάντησή τους απλούστερη.

Συγγραφέας Natalie Wolchover του περιοδικού Quanta.

Πηγή

http://physics4u.gr/blog/2018/09/26/%ce%b3%ce%b9%ce%b1%cf%84%ce%af-%cf%84%ce%bf-%ce%bc%ce%b9%ce%ba%cf%81%ce%bf%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%80%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%ce%b2%ce%ac%cf%81%ce%bf%cf%82-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%ba%ce%b5%ce%bd%ce%bf%cf%8d/