מורכב ה- UV המלא-נראה-IR של ה- XDF; הדימוי הגדול ביותר שיצא אי פעם מהיקום הרחוק. כל גלקסיה שמוצגת כאן בסופו של דבר תאיץ מאיתנו במהירות רבה יותר ממהירות האור, בזכות אנרגיה אפלה. קרדיט תמונה: נאס

הסבר חדש לאנרגיה אפלה: העניין ביקום שלנו

כיצד השפעת קזימיר הכבידה עשויה לגרום להתפשטותה המואצת של היקום שלנו, ללא שום פיסיקה חדשה בכלל.

"מכיוון שלמרות שבוודאי נכון שמדידות כמותיות חשובות מאוד, זו טעות חמורה להניח שאפשר להכניס את כל הפיזיקה הניסיונית תחת כותרת זו." -נדריק קזימיר

מאז שנמצא כי התפשטות היקום האצה לראשונה לפני כמעט 20 שנה, מדענים השתוקקו להסבר משכנע, פשוט ומבחן. אולם ככל שנכנסו יותר ויותר נתונים מניסויים ותצפיות, הגורם לאנרגיה אפלה זו - הסיבה ההשערה לתאוצה - היה חמקמק בטירוף. אמנם זה שווה פונקציונאלי ל"קבוע קוסמולוגי "(או ל"אנרגיה הטמונה בחלל עצמו"), אך אין דרך טובה להגיע לחיזוי לערכו. עם זאת, אם אתה מחשיב כי הצבת צורות מסוימות של חומר בחלל ריק משנה את הכוחות באותו עניין, אולי אנרגיה אפלה נובעת מהגורם הפשוט ביותר לכולם: העובדה שהיקום שלנו מכיל חומר בכלל.

מפה של דפוס הגיבוש / האשכול שהגלקסיות ביקום שלנו מציגה היום. נוכחותם של מבנים אלה עשויה להסביר את נוכחותה ועוצמתה של האנרגיה האפלה בשלמותה. קרדיט תמונה: גרג בייקון / STScI / NASA מרכז טיסת החלל גודארד.

לרוב הכוחות והתופעות ביקום יש סיבות שניתן לחשוף בקלות. שני חפצים מאסיביים חווים כוח כבידה בגלל העובדה שחלל מעוקל על ידי נוכחות של חומר ואנרגיה. היקום התרחב כפי שהיה לאורך ההיסטוריה שלו בגלל צפיפות האנרגיה המשתנה של היקום ותנאי ההתרחבות הראשוניים. וכל החלקיקים ביקום חווים את האינטראקציות שהם מבצעים בגלל הכללים הידועים של תורת שדות קוונטיים והחלפת בוזונים וקטוריים. החל מהחלקיקים הקטנים ביותר, תת אטומיים ועד הכף הגדול ביותר מכולם, אותם כוחות נמצאים במשחק, המחזיקים כל דבר, החל מפרוטונים לאנשים, לכוכבי לכת ועד לגלקסיות יחד.

הכוח החזק, הפועל כמו שהוא פועל בגלל קיומו של 'מטען צבע' והחלפת גלונים, אחראי לכוח שמחזיק גרעינים אטומיים יחד. קרדיט תמונה: משתמש ויקימדיה Commons Qashqaiilove.

אפילו לחלק מהתופעות המסתוריות יותר יש הסברים בסיסיים שמובנים היטב. אנחנו לא יודעים איך צריך להיות יותר מאשר חומר נגד חומר ביקום, אבל אנחנו יודעים שהתנאים שאנו זקוקים לו - הפרת מספרים של הברון, מתוך תנאי שיווי משקל והפרת C ו- CP - כולם קיימים. איננו יודעים מה טיבו של החומר האפל, אך תכונותיו הגנריות, היכן הוא ממוקם ואיך הוא מתגבש יחד מובן היטב. ואנחנו לא יודעים אם חורים שחורים שומרים מידע או לא, אבל אנו מבינים את המצב הסופי וההתחלתי של אובייקטים אלה, כמו גם כיצד הם באים להיות ומה קורה לאופק האירועים שלהם לאורך זמן.

איור של חור שחור וסביב ההקרבה שלו, המאיץ והנרתע. ניתן לחזות היטב את המצבים הראשוניים והסופיים של חורים שחורים, גם אם איבוד או שמירה של מידע כרגע לא יכולים. אשראי תמונה: נאס

אבל יש דבר אחד שאנחנו לא מבינים בכלל: אנרגיה אפלה. בטח, אנו יכולים למדוד את תאוצת היקום, ולקבוע בדיוק מה גודלו. אבל מדוע יש לנו יקום עם ערך שאינו אפס לאנרגיה אפלה בכלל? מדוע לחלל ריק, נטול הכל - לא משנה, לא עקמומיות, ללא קרינה, שום דבר - לא תהיה אנרגיה חיובית שאינה אפס? מדוע עליו לגרום ליקום עצמו להתרחב בקצב חיובי-תמיד-לא-להגיע-לאפס? ומדוע כמות האנרגיה ההיא שהיא הייתה כה זעירה להפליא, עד שלא ניתן היה להבחין בה לחלוטין במיליארד השנים הראשונות בתולדות היקום, ורק הגיעה לשלוט ביקום בתקופת היווצרות כדור הארץ?

המחשה לדיסק הפרוט-פלנטרי, בו נוצרים תחילה כוכבי לכת וסימני פלנטה, ויוצרים 'פערים' בדיסק כשהם כן. לפני כארבע-חמישה מיליארד שנה, כאשר מערכת השמש שלנו התהוותה, אנרגיה כהה הגיעה בו זמנית לשלוט בקצב ההתרחבות של היקום וצפיפות האנרגיה. קרדיט תמונה: NAOJ.

יש המון דברים שאנחנו יכולים לציין לגבי אנרגיה אפלה, והיקום, שמעניין ומרמז על קשר. יש הרבה מקום ריק, ואנחנו יודעים שיש שדות קוונטיים בכל זה. אין אזורים ביקום שבהם הכוח הכבידתי, האלקטרומגנטי או הגרעיני לא יכולים להגיע; הם בהחלט נמצאים בכל מקום. אם ננסה לחשב את מה שאנו מכנים ערך הציפייה לוואקום (VEV) של שדות הקוונטים השונים שם, ראשית נוכל לעשות זאת בערך, מכיוון שיש מספר אינסופי של מונחים שנוכל לרשום שהם עוברים לסדר גבוה באופן שרירותי . אם נקטום את הסדרה בכל נקודה כלשהי, נוכל להוסיף מה התרומות המשוערות ונמצא מאוכזב מאוד.

כמה מונחים התורמים לאנרגיה של נקודת האפס באלקטרודינמיקה קוונטית. קרדיט תמונה: RL Jaffe, מ https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

אם נעשה את זה במתמטיקה, אנו מסתיימים בתרומות שהם בערך 120 סדרי גודל גדולים מדי, חיוביים ושליליים כאחד. עד כמה שאנו יכולים לדעת, הם לא מבטלים במדויק, וגם אם הם עשו זאת, עדיין יש לנו את אותה בעיה תצפיתית מציקת שהיקום אינו מחליף מחדש, מאט או מתייחס לאימפוט לשיעור אפס; זה מאיץ באמת. איכשהו יש אנרגיה קטנה אך לא אפסית הטמונה בחלל עצמו. והאנרגיה הזו גורמת לגלקסיות הרחוקות ביקום להאיץ במיתון שלהם מאיתנו, גם אם לאט מאוד, לאורך זמן.

ארבעת הגורל האפשרי של היקום שלנו לעתיד; נראה שהאחרון הוא היקום בו אנו חיים, הנשלט על ידי אנרגיה אפלה. קרדיט תמונה: א. סיגל / מעבר לגלקסיה.

אולי השאלה התיאורטית הגדולה מכולן היא מדוע? מדוע היקום מאיץ? אין לנו ממש הסבר טוב מה הגורם לאנרגיה אפלה זו. לאחרונה בדקנו את האפשרות שמדובר בנייטרינו קפוא, או שזה יכול להיות סימפטום לכך שיש לנו משהו לא בסדר ביקום המתרחב. אבל יש אפשרות אחרת שמקבלת מעט מאוד תשומת לב שצריכה לקבל הרבה יותר: זה יכול להיות מאפיין של שטח ריק עצמו שנגרם על ידי נוכחות של דברים אחרים - כמו חומר שמשמש כגבול אפקטיבי - ביקום.

והסיבה לכך אפשרית היא מכיוון שזו השפעה שאנו יודעים שקיימת: אפקט קזימיר.

המחשה לאפקט קזימיר וכיצד כוחות (ומצבים מותר / אסורים של השדה האלקטרומגנטי) בצד החיצוני של הלוחות שונים מהכוחות שבפנים. קרדיט תמונה: Emok / Wikimedia Commons.

מה הכוח האלקטרומגנטי של החלל הריק? זה כלום, כמובן. ללא מטענים, ללא זרמים ולא משנה להשפיע, זה באמת אפס; זה לא טריק. אבל אם תשימו שני לוחות מתכת במרחק סופי זה מזה, ותשאלו מהו הכוח האלקטרומגנטי, תגלו שהוא לא אפס! בשל העובדה שחלק ממצבי תנודות הוואקום אסורים בגלל גבולות הלוחות, אנו לא רק חוזים אלא מודדים כוח שאינו אפס בין צלחות אלו, הנובע מכלום אחר מאשר שטח ריק עצמו. כפי שמתברר, כל הכוחות, כולל כוח הכבידה, מראים גם הם על אפקט קזימיר.

מפה של יותר ממיליון גלקסיות אחד ביקום, כאשר כל נקודה היא הגלקסיה שלה. הצבעים השונים מייצגים מרחקים, כאשר האדומים יותר מייצגים רחוק יותר. קרדיט תמונה: דניאל איזנשטיין ושיתוף פעולה SDSS-III.

אז מה קורה אם אנו מיישמים אפקט זה על כל היקום וננסה לחשב מה צריכה להיות האפקט? התשובה היא פשוטה: אנו מקבלים משהו שיש לו צורה התואמת את האנרגיה האפלה, אם כי - שוב - גודל הכל לא בסדר. עם זאת, יתכן וזו פונקציה של העובדה שאיננו יודעים כיצד נראים תנאי הגבול של היקום, או כיצד מחשבים היטב את ההשפעה הכבדית הקוונטית הזו. אבל זו אפשרות מדהימה ומחקר היטב שיש בה המון התפתחויות מעניינות שנמשכות בעשור האחרון.

השחזור התלת-ממדי של 120,000 גלקסיות ותכונות האשכול שלהם, הסיקו מההיסטוריה האדומה וממבנה המבנה שלהם בקנה מידה גדול. קרדיט תמונה: ג'רמי טינקר ושיתוף הפעולה SDSS-III.

מיפוי היקום עשוי להתברר כחלק הקל. אולי זה לא יהיה פריצת דרך תצפיתית או ניסיונית שתוביל אותנו להבנת האנרגיה האפלה, הכוח החמקמק ביותר ביקום. אולי זה תיאורטי שצריך. ואולי זה קשור לאנומליה העקבית, אולי זה הכמות הדינאמית שהשתנתה לאורך זמן, ואולי זה אפילו סימן לממדים נוספים. היקום שם בחוץ, וחשפנו רק את הסוד הקשה ביותר להסבר זה. אולי הפיתרון, אם נזהר, עלול להיות בפיזיקה שאנו מכירים.

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקוורסנס ועד וורפ דרייב.