Физици твърдят, че имат обяснение на тайнствената тъмна енергия, която разширява Вселената

Физици твърдят, че може би са намерили дългоочакваното обяснение на тайнствената тъмна енергия – загадъчната сила, която ускорява разширяването на Вселената. Според ново изследване, публикувано в базата данни arXiv (все още без независима рецензия), явлението се корени в дълбоко квантовия характер на самото пространство-време.

Наследството на Айнщайн

Първите стъпки към разбирането на разширяващата се Вселена са положени още от Алберт Айнщайн, когато той формулира Общата теория на относителността в началото на 20-ти век. Айнщайн въвежда космологичната константа в уравненията си, за да запази модела на статична Вселена – идея, която по-късно сам нарича „най-голямата ми грешка“, след откритието, че космосът всъщност се разширява. По-нататъшните наблюдения показват, че това разширяване дори се ускорява – факт, който изисква обяснение, надхвърлящо пределите на стандартната физика.

В новото си изследване учените Сунхенг Хур, Джордже Минич, Тацу Такеучи (Технологичен университет на Вирджиния), Вишну Джеджала (Университет Уитсуотърсранд) и Майкъл Кавич (SUNY Old Westbury) твърдят, че в най-малък мащаб пространството-време се държи толкова силно квантово, че координатите му се оказват „некомутативни“ – т.е. редът, в който се появяват в уравненията, променя резултата. Такова свойство присъства и в квантовата механика, където редът на измерване на дадена частица влияе върху стойностите на положението и импулса ѝ.

Ролята на теорията на струните

Водещо място в тази работа заема струнната теорията – един от най-популярните кандидати за квантова теория на гравитацията. Вместо да разглежда елементарните частици като точковидни обекти, теорията на струните предлага, че те са малки, трептящи едномерни „струни“. Режимите на вибрация на тези струни пораждат различни частици, включително хипотетичния гравитон – квантовия носител на гравитацията.

Прилагайки струнната теория, екипът заключава, че самото пространство-време е квантово и некомутативно. Именно това коренно различие от класическия модел позволява да се изведат свойствата на тъмната енергия не просто от наблюдения, а от фундаментални физически принципи. По този път учените получават стойности за плътността на тъмната енергия, които съвпадат с експерименталните данни. Допълнително, моделът им правилно предсказва, че тази енергия намалява с времето – напълно в унисон с последните резултати от Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).

„Погледнато през призмата на нашата работа, можем да приемем резултатите на DESI като първо наблюдателно доказателство, което подкрепя теорията на струните и дори предлага първите измерими следствия от теорията на квантовата гравитация,“ споделя съавторът на изследването професор Майкъл Кавич от SUNY Old Westbury.

Защо тъмната енергия е толкова трудна за обяснение

Още през 1998 г. две независими групи (Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team) откриват ускореното разширяване на Вселената, наблюдавайки далечни свръхнови, които изглеждат по-слаби от очакваното. Тези резултати загатват за съществуването на „тъмна енергия“ – мистериозна субстанция, проникваща целия космос.

Една популярна теория предполага, че тъмната енергия се поражда от квантови флуктуации във вакуума, подобно на процеси, наблюдавани в електромагнитното поле. Когато обаче физиците се опитват да изчислят скоростта на разширяване от тази идея, те получават стойност, която надхвърля наблюдаваната приблизително със 120 порядъка – колосално несъответствие.

Допълнително усложнение носят последните данни от DESI: според Стандартния модел на елементарните частици, ако тъмната енергия е наистина вакуумна, нейната плътност трябва да остане постоянна във времето. Данните на DESI обаче показват обратното – че скоростта на космическото ускорение намалява, нарушавайки прогнозите на Стандартния модел.

Един от най-впечатляващите резултати на новата теория е, че стойността на тъмната енергия зависи от два изключително различни пространствени мащаба: Планковата дължина от около 10−3310^{-33} см – фундаменталната скала на квантовата гравитация – и размерите на Вселената, измервани в милиарди светлинни години.

„Това загатва за по-дълбока връзка между квантовата гравитация и динамичните свойства на природата, за които досега се смяташе, че са неизменни,“ обобщава Кавич. „Възможно е да се окаже, че носим със себе си фундаментално погрешното убеждение, че основните свойства на нашата Вселена са статични, докато реалността показва друго.“

Следващи стъпки: търсене на експериментални доказателства

Въпреки че новото обяснение на тъмната енергия е сериозен теоретичен пробив, за пълно потвърждение е нужно да се проведат независими експериментални тестове. Изследователите вече предлагат конкретни идеи за това.

„Една от възможностите е свързана с наблюдения на сложни квантови интерференчни картини, които са невъзможни в стандартната квантова физика, но би трябвало да се наблюдават при квантова гравитация,“ отбелязва Джордже Минич, физик във Вирджинския технологичен университет и съавтор на публикацията.

Интерференцията е процес, при който вълни (на светлината или на материята) се застъпват и взаимно се засилват или отслабват, образувайки характерни шарки. В обичайната квантова механика този феномен е добре описан. Някои модели в квантовата гравитация обаче предвиждат „по-висок порядък“ на интерференция – далеч по-сложни взаимодействия, надминаващи стандартните модели. Ако в лабораторни условия бъде засечено подобно явление, това би било революционно доказателство за квантовата гравитация.

„Това са опити на масата в лаборатория, които биха могли да се проведат съвсем скоро – в рамките на три-четири години,“ убеден е екипът.

Междувременно учените продължават да задълбочават разбирането си за квантовия характер на пространство-времето, както и да търсят нови начини за проверка на теорията. Ако в крайна сметка резултатите се потвърдят, това ще бъде огромен пробив, който не само ще обясни тъмната енергия, но и ще даде първите осезаеми доказателства в полза на струнната теория – цел, преследвана от десетилетия в търсене на „Свещения Граал“ на фундаменталната физика.

Ако всичко това се докаже експериментално, физиката ще направи решителна крачка към изграждане на една обща теория, която да описва гравитацията и квантовите явления в единна рамка – нещо, за което Айнщайн мечтае през последните години от своя живот.

Прочети цялата публикация