Полный УФ-видимый-ИК-композит XDF; величайшее изображение, когда-либо выпущенное из далекой вселенной. Каждая галактика, показанная здесь, в конечном итоге ускорится от нас со скоростью, превышающей скорость света, благодаря темной энергии. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, Х. Теплицем и М. Рафельски (IPAC / Caltech), А. Кокемоером (STScI), Р. Виндхорстом (Университет штата Аризона) и З. Левей (STScI).

Новое объяснение темной энергии: материя в нашей Вселенной

Как гравитационный эффект Казимира может вызвать ускоренное расширение нашей Вселенной без какой-либо новой физики вообще.

«Хотя, безусловно, верно то, что количественные измерения имеют большое значение, ошибочно полагать, что вся экспериментальная физика может быть отнесена к этой статье». Хендрик Казимир

С тех пор как было обнаружено, что расширение Вселенной ускорилось почти 20 лет назад, ученые жаждали убедительного, простого и проверяемого объяснения. Тем не менее, по мере того, как поступало все больше и больше данных из экспериментов и наблюдений, причина этой темной энергии - гипотетическая причина ускорения - была невероятно неуловимой. Хотя это функционально эквивалентно «космологической постоянной» (или «энергии, присущей самому пространству»), нет хорошего способа сделать прогноз ее значения. И все же, если учесть, что помещение определенных форм материи в пустое пространство меняет силы на эту материю, возможно, темная энергия возникает из самой простой причины из всех: факта, что наша Вселенная вообще содержит материю.

Карта схемы сгущения / скопления, которую демонстрируют галактики в нашей Вселенной сегодня. Наличие этих структур может объяснить наличие и величину темной энергии во всей ее полноте. Изображение предоставлено: Грег Бэкон / STScI / Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

У большинства сил и явлений во Вселенной есть причины, которые можно легко обнаружить. Два массивных объекта испытывают гравитационную силу из-за того, что пространство-время искривляется присутствием вещества и энергии. Вселенная расширилась, как и за всю свою историю, из-за изменения плотности энергии Вселенной и начальных условий расширения. И все частицы во Вселенной испытывают взаимодействия, которые они делают из-за известных правил квантовой теории поля и обмена векторными бозонами. От самых маленьких субатомных частиц до самых больших из всех масштабов действуют одни и те же силы, удерживающие все - от протонов до людей, от планет до галактик.

Сильная сила, действующая в силу существования «цветного заряда» и обмена глюонами, отвечает за силу, удерживающую атомные ядра вместе. Изображение предоставлено: пользователь Wikimedia Commons Qashqaiilove.

Даже некоторые из более загадочных явлений имеют понятные объяснения. Мы не знаем, как во Вселенной должно быть больше материи, чем антивещества, но мы знаем, что для этого необходимы условия - нарушение барионного числа, неравновесные условия и C- и CP-нарушение - все это существует. Мы не знаем, какова природа темной материи, но ее общие свойства, где она находится и как она собирается вместе, хорошо понятны. И мы не знаем, сохраняют ли черные дыры информацию или нет, но мы понимаем конечное и начальное состояния этих объектов, а также то, как они появляются и что происходит с их горизонтами событий с течением времени.

Иллюстрация черной дыры и ее окружения, ускорения и падения аккреционного диска. Начальное и конечное состояния черных дыр могут быть хорошо предсказаны, даже если потеря или сохранение информации не могут, в настоящее время. Изображение предоставлено NASA.

Но есть одна вещь, которую мы совсем не понимаем: темная энергия. Конечно, мы можем измерить ускорение Вселенной и точно определить ее величину. Но почему у нас вообще есть Вселенная с ненулевым значением темной энергии? Почему пустое пространство, лишенное всего - независимо от того, нет ли кривизны, нет излучения или нет ничего - должно иметь положительную, ненулевую энергию? Почему это должно вызывать расширение самой Вселенной всегда с положительной скоростью, которая никогда не достигает нуля? И почему такое количество энергии, которое было настолько невероятно крошечным, чтобы оно было совершенно незаметным в течение первых нескольких миллиардов лет истории Вселенной, и стало доминировать во Вселенной только во время формирования Земли?

Иллюстрация протопланетного диска, где планеты и планетезималы образуются первыми, создавая «разрывы» в диске, когда они появляются. Около четырех-пяти миллиардов лет назад, когда формировалась наша Солнечная система, темная энергия одновременно стала доминировать в скорости расширения Вселенной и плотности энергии. Изображение предоставлено NAOJ.

Есть много вещей, которые мы можем отметить о темной энергии и Вселенной, которые интересны и наводят на мысль о связи. Там много пустого пространства, и мы знаем, что везде есть квантовые поля. Нет областей Вселенной, в которые не могут проникнуть гравитационные, электромагнитные или ядерные силы; они абсолютно везде. Если мы попытаемся вычислить то, что мы называем значением вакуумного ожидания (VEV) для различных квантовых полей, мы сначала можем сделать это только приблизительно, потому что мы можем записать бесконечное число членов, которые переходят в произвольно высокий порядок. , Если мы урежем ряд в любой момент, мы можем сложить, каковы приблизительные вклады, и мы очень разочарованы.

Несколько членов, вносящих вклад в энергию нулевой точки в квантовой электродинамике. Изображение предоставлено: RL Jaffe, https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Если мы выполним эту математику, мы получим вклады, которые примерно на 120 порядков больше, как положительные, так и отрицательные. Насколько мы можем судить, они точно не отменяют, и даже если бы они это сделали, у нас все еще есть эта досадная проблема с наблюдением, которая заключается в том, что Вселенная не переворачивается, не замедляется и не асимптотически стремится к нулю; это действительно, действительно ускоряется. Каким-то образом есть небольшая, но ненулевая энергия, присущая самому пространству. И эта энергия заставляет далекие галактики во Вселенной ускоряться в своем спаде от нас, хотя и очень медленно, со временем.

Четыре возможных судьбы нашей Вселенной в будущем; последняя, ​​кажется, является Вселенной, в которой мы живем, в которой доминирует темная энергия. Изображение предоставлено: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Возможно, самый большой теоретический вопрос из всех - почему? Почему Вселенная ускоряется? У нас буквально нет хорошего объяснения, что является причиной этой темной энергии. Недавно мы рассмотрели возможность того, что это замороженные нейтрино, или это может быть признаком того, что у нас что-то не так с расширяющейся Вселенной. Но есть еще одна возможность, которой уделяется очень мало внимания и которая должна получить намного больше: это может быть свойство самого пустого пространства, которое вызвано присутствием других вещей - таких как материя, которая действует как эффективная граница - во Вселенной.

И причина, по которой это возможно, заключается в том, что существует эффект, который, как мы знаем, существует: эффект Казимира.

Иллюстрация эффекта Казимира и того, как силы (и разрешенные / запрещенные состояния электромагнитного поля) снаружи пластин отличаются от сил внутри. Изображение предоставлено: Emok / Wikimedia Commons.

Какова электромагнитная сила пустого пространства? Это ничего, конечно. Без зарядов, токов и влияния, оно действительно равно нулю; это не уловка. Но если вы поместите две металлические пластины на конечном расстоянии друг от друга, а затем спросите, что такое электромагнитная сила, вы обнаружите, что она не равна нулю! Из-за того, что некоторые из вакуумных флуктуационных режимов запрещены из-за границ пластин, мы не только предсказываем, но и измеряем ненулевую силу между этими пластинами, возникающую из ничего, кроме самого пустого пространства. Оказывается, что все силы, в том числе гравитационная сила, также обладают эффектом Казимира.

Карта более чем одной миллионной галактики во Вселенной, где каждая точка - это собственная галактика. Различные цвета представляют расстояния, с более красными, представляющими дальше. Изображение предоставлено Дэниелом Эйзенштейном и SDSS-III.

Так что же произойдет, если мы применим этот эффект ко всей Вселенной и попытаемся вычислить, каким должен быть этот эффект? Ответ прост: мы получаем что-то, что имеет форму, соответствующую темной энергии, хотя, опять же, величина неверна. Вполне возможно, что это зависит от того факта, что мы не знаем, как выглядят граничные условия Вселенной или как очень хорошо рассчитать этот квантовый гравитационный эффект. Но это невероятная, хорошо изученная возможность, которая имеет множество интересных событий, происходящих в последнее десятилетие.

Трехмерная реконструкция 120 000 галактик и их группирующих свойств, выведенных из их красного смещения и крупномасштабного формирования структуры. Изображение предоставлено Джереми Тинкером и сотрудниками SDSS-III.

Картирование Вселенной может оказаться легкой частью. Возможно, это не будет наблюдательный или экспериментальный прорыв, который приведет нас к пониманию темной энергии, самой неуловимой силы во Вселенной. Возможно, это теоретический вопрос, который нужен. И, возможно, это связано с аномалией следа, возможно, это динамическая величина, которая со временем меняется, и, возможно, это даже признак дополнительных измерений. Вселенная существует, и мы только недавно раскрыли этот самый трудный для объяснения секрет. Возможно, решение, если мы будем осторожны, может быть в физике, которую мы уже знаем.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».