Siden slutningen af 1920'erne har astronomer været opmærksomme på, at universet er i en ekspansionstilstand. Oprindeligt forudsagt af Einsteins teori om generel relativitet, er denne erkendelse fortsat med at informere den mest accepterede kosmologiske model - Big Bang Theory. Men tingene blev noget forvirrende i løbet af 1990'erne, da forbedrede observationer viste, at universets ekspansionshastighed er accelereret i milliarder af år.
Dette førte til teorien om Dark Energy, en mystisk usynlig kraft, der driver udvidelsen af kosmos. Ligesom Dark Matter, der forklarede den "manglende masse", blev det derefter nødvendigt at finde denne undvigende energi, eller i det mindste give en sammenhængende teoretisk ramme for den. En ny undersøgelse fra University of British Columbia (UBC) forsøger at gøre netop det ved at postulere universet udvides på grund af udsving i rum og tid.
Undersøgelsen - som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang D - blev ledet af Qingdi Wang, en ph.d.-studerende ved Institut for Fysik og Astronomi ved UBC. Under tilsyn af UBC-professor William Unruh (manden, der foreslog Unruh-effekten) og med bistand fra Zhen Zhu (en anden ph.d.-studerende ved UBC), giver de en ny overtagelse af Dark Energy.
Holdet begyndte med at tackle de uoverensstemmelser, der opstod ud fra de to hovedteorier, der tilsammen forklarer alle naturfænomener i universet. Disse teorier er intet andet end General Relativity og kvantemekanik, som effektivt forklarer, hvordan universet opfører sig på det største af skalaer (dvs. stjerner, galakser, klynger) og de mindste (subatomære partikler).
Desværre er disse to teorier ikke ensartede, når det drejer sig om en lille sag kendt som tyngdekraft, hvilket forskere stadig ikke er i stand til at forklare med hensyn til kvantemekanik. Eksistensen af Mørk Energi og udvidelsen af Universet er et andet punkt på uenighed. Til at begynde med er kandidatteorier som vakuumenergi - som er en af de mest populære forklaringer til Dark Energy - alvorlige uoverensstemmelser.
Ifølge kvantemekanik ville vakuumenergi have en utrolig stor energitetthed for den. Men hvis dette er sandt, forudsiger General Relativity, at denne energi ville have en utrolig stærk tyngdekrafteffekt, en som ville være kraftig nok til at få universet til at eksplodere i størrelse. Som prof. Unruh delte med Space Magazine via e-mail:
”Problemet er, at enhver naiv beregning af vakuumenergien giver enorme værdier. Hvis man antager, at der er en form for afskæring, så man ikke kan få energitætheder, der er meget større end Planck-energitætheden (eller ca. 1095 Joules / meter³) så finder man ud af, at man får en Hubble-konstant - den tidsskala, hvor universet omtrent fordobler i størrelse - i størrelsesordenen 10-44 sek. Så den sædvanlige tilgang er at sige, at noget på en eller anden måde reducerer det ned, så man får den faktiske ekspansionsgrad på ca. 10 milliarder år i stedet. Men det 'på en eller anden måde' er temmelig mystisk, og ingen er kommet frem til en jævn halvt overbevisende mekanisme. '
Mens andre forskere har forsøgt at ændre teorierne om generel relativitet og kvantemekanik for at løse disse uoverensstemmelser, søgte Wang og hans kolleger en anden tilgang. Som Wang forklarede til Space Magazine via e-mail:
”Tidligere undersøgelser forsøger enten at ændre kvantemekanikken på en eller anden måde for at gøre vakuumenergi lille eller forsøge at ændre den generelle relativitet på en eller anden måde for at gøre tyngdekraften følelsesløs for vakuumenergi. Kvantemekanik og generel relativitet er imidlertid de to mest succesrige teorier, der forklarer, hvordan vores univers fungerer ... I stedet for at prøve at modificere kvantemekanik eller generel relativitet, mener vi, at vi først skal forstå dem bedre. Vi tager den store vakuumenergitæthed, der er forudsagt af kvantemekanik, alvorligt og lad dem bare tynge i henhold til generel relativitet uden at ændre nogen af dem. ”
Af hensyn til deres undersøgelse udførte Wang og hans kolleger nye sæt beregninger af vakuumenergi, der tog hensyn til dens forudsagte høje energitæthed. De overvejede derefter muligheden for, at rummet i rumtider på de mindste skalaer - milliarder gange mindre end elektroner - er udsat for vilde udsving og svinger på hvert punkt mellem ekspansion og sammentrækning.
Når det svinger frem og tilbage, er resultatet af disse svingninger en nettoeffekt, hvor universet ekspanderer langsomt, men med en accelererende hastighed. Efter at have udført deres beregninger bemærkede de, at en sådan forklaring var i overensstemmelse med eksistensen af kvantevakuumenergitæthed og generel relativitet. På toppen af dette er det også konsistent med, hvad forskere har observeret i vores univers i næsten et århundrede. Som Unruh beskrev det:
”Vores beregninger viste, at man konsekvent kunne se [at] universet i de mindste skalaer faktisk ekspanderer og kontraherer i en absurd hurtig hastighed; men at i stor skala, på grund af et gennemsnit over disse små skalaer, ville fysik ikke bemærke det 'kvanteskum'. Det har en lille resterende virkning ved at give en effektiv kosmologisk konstant (mørk energitypeeffekt). På nogle måder er det som bølger på havet, der bevæger sig som om havet var perfekt glat, men vi ved virkelig, at der er denne utrolige dans på de atomer, der udgør vandet, og bølgerne gennemsnitligt over disse udsving, og fungerer som om overfladen var glat. ”
I modsætning til modstridende teorier om et univers, hvor de forskellige kræfter, der styrer det, ikke kan løses og skal annullere hinanden, præsenterer Wang og hans kolleger et billede, hvor universet konstant er i bevægelse. I dette scenarie er virkningerne af vakuumenergi faktisk selvdæmpende og giver også anledning til den ekspansion og acceleration, vi har observeret hele denne tid.
Selvom det måske er for tidligt at fortælle det, kan dette billede af et univers, der er meget dynamisk (selv på de mindste skalaer), revolutionere vores forståelse af rumtiden. I det mindste er disse teoretiske fund sikker på at stimulere debatten inden for det videnskabelige samfund såvel som eksperimenter designet til at tilbyde direkte bevis. Og det er, som vi ved, den eneste måde, hvorpå vi kan fremme vores forståelse af denne ting kendt som Universet.
