Toen 20 jaar geleden duidelijk werd dat de expansie van het universum versnelde, presenteerden wetenschappers een complete, eenvoudige en toetsbare verklaring. Maar naarmate er meer en meer experimentele en observationele gegevens binnenkwamen, bleef de reden voor donkere energie - vermoedelijk de reden voor deze versnelling - ongrijpbaar. Hoewel het technisch equivalent is aan een 'kosmologische constante' (of energie die inherent is aan de ruimte zelf), is er geen manier om de waarde ervan af te leiden. Maar als we bedenken dat het plaatsen van bepaalde vormen van materie in de lege ruimte de krachten verandert die op deze materie inwerken, is het mogelijk dat donkere energie ontstaat volgens een heel eenvoudig principe: omdat materie als zodanig in ons universum bestaat.
Clusterkaart van sterrenstelsels in ons heelal. De aanwezigheid van deze structuren kan de aanwezigheid en kracht van donkere energie in zijn geheel verklaren.
De meeste krachten en verschijnselen hebben een oorsprong die gemakkelijk te ontdekken is. Twee massieve objecten ervaren de zwaartekracht doordat de ruimtetijd vervormd is door de aanwezigheid van materie en energie. Het universum is uitgebreid omdat het zijn eigen geschiedenis heeft van veranderingen in de energiedichtheid in het universum en de beginvoorwaarden voor expansie. En alle deeltjes in het heelal werken op een bepaalde manier samen dankzij de bekende regels van de kwantumveldentheorie en de uitwisseling van vectorbosonen. Van de kleinste subatomaire deeltjes tot de grootste schalen, dezelfde krachten werken om bosonen en sterrenstelsels aan te drijven.
De sterke interactie die optreedt door de aanwezigheid van "kleurverandering" en de uitwisseling van gluonen houdt de atoomkernen bij elkaar
Zelfs de meest mysterieuze verschijnselen bevatten in hun kern verklaringen die goed worden begrepen. We weten niet waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is, maar we weten wel dat de voorwaarden die we hiervoor nodig hebben - schending van het baryongetal, overtreding van C en CP - plaatsvinden. We weten niet wat de aard van donkere materie is, maar de algemene eigenschappen ervan, waar het zich bevindt en hoe het clustert, wordt allemaal goed begrepen. We weten ook niet of zwarte gaten informatie bewaren of niet, maar we begrijpen de uiteindelijke en initiële staat van deze objecten, evenals hoe ze worden geboren en wat er in de loop van de tijd met hun horizon voor gebeurtenissen gebeurt.
Een illustratie van een zwart gat en zijn omgeving, een versnellende en opblazende accretieschijf. De begin- en eindtoestand van zwarte gaten kunnen goed worden voorspeld, zelfs als dat niet het geval is als het gaat om verlies of opslag van informatie
Maar er is één ding dat we helemaal niet begrijpen: donkere energie. Natuurlijk kunnen we de versnelling van het universum meten en de omvang ervan nauwkeurig begrijpen. Maar waarom hebben we zelfs een universum met donkere energie die niet nul is? Waarom heeft lege ruimte, waarin er niets is - ongeacht, geen kromming, geen straling, niets - positieve energie die niet nul is? En waarom begon deze hoeveelheid energie, die onvoorstelbaar klein en volledig onmerkbaar was tijdens de eerste miljard jaar van de geschiedenis van het heelal, het heelal pas over te nemen op het moment dat de aarde erin verscheen?
Een illustratie van een protoplanetaire schijf waarin planeten en planetesimalen worden gevormd, waardoor gaten in de schijf ontstaan. Vier tot vijf miljard jaar geleden, toen ons zonnestelsel zich vormde, begon donkere energie tegelijkertijd de uitbreiding van het universum en de energiedichtheid vast te leggen
Promotie video:
Er zijn veel interessante dingen die we kunnen associëren met donkere energie en het universum als geheel. Er is veel lege ruimte die kwantumvelden doordringen. Er zijn geen gebieden in het heelal waar zwaartekracht, elektromagnetische of nucleaire krachten doordringen; ze zijn overal. Als we van verschillende kwantumvelden proberen de zogenaamde vacuüm verwachtingswaarde (condensaat) te berekenen, komen we een oneindig aantal termen tegen en kunnen we deze slechts bij benadering schrijven. We zullen altijd te maken hebben met geschatte waarden. En voor zover we weten, zijn ze niet in balans en vertraagt het universum niet - het versnelt in feite. Op de een of andere manier heeft de ruimte zelf een beetje niet-nul-energie. En deze energie zorgt ervoor dat verre sterrenstelsels in het heelal met een steeds toenemende snelheid van ons weggaan,hoewel langzaam, maar constant.
De vraag "waarom?" houdt nooit op theoretici te kwellen. Waarom breidt het universum zich steeds sneller uit? We kunnen de aanwezigheid van deze donkere energie in niets verklaren. Misschien hebben we weinig begrip van het universum zelf. Er is echter nog een andere optie waarover zelden wordt nagedacht: misschien wordt deze eigenschap van lege ruimte bepaald door de aanwezigheid van andere dingen - zoals materie - in het heelal.
En er is een reden om aan te nemen dat dit mogelijk is, dat het Casimir-effect wordt genoemd. We kennen hem goed.
Illustratie van het Casimir-effect en hoe de krachten buiten de platen verschillen van de krachten ertussen
Wat is de elektromagnetische kracht van lege ruimte? Nul, natuurlijk. Bij afwezigheid van ladingen, stromen en materie voor interactie, zal het nul zijn, geen grapje. Maar als je twee metalen platen op een bepaalde afstand tussen hen plaatst, en dan opnieuw vraagt wat de elektromagnetische kracht zal zijn, zal deze niet meer nul zijn. Vanwege het feit dat sommige vormen van kwantumfluctuaties verboden zijn vanwege de grenzen van de plaat, voorspellen we niet alleen, maar meten we ook de niet-nulkracht tussen deze platen, die letterlijk vanuit de lege ruimte verschijnt. En wat het meest interessant is, alle krachten, inclusief zwaartekrachten, vertonen het Casimir-effect.
Kaart van meer dan een miljoen sterrenstelsels in het heelal; er is op elk punt een apart sterrenstelsel. Verschillende kleuren vertegenwoordigen afstanden; rood - verder
Wat gebeurt er als we proberen dit effect op het hele universum toe te passen en het effect te berekenen? Het antwoord is simpel: we krijgen iets dat in een of andere vorm overeenkomt met donkere energie, alleen - nogmaals - van een andere orde. En dit kan zijn omdat we niet volledig weten wat de randvoorwaarden van het universum zijn of hoe we het kwantumgravitatie-effect correct kunnen berekenen.
Het in kaart brengen van het universum kan het gemakkelijkste zijn. Het is onwaarschijnlijk dat we zullen wachten op een waargenomen of experimentele doorbraak die ons zal leiden tot begrip van donkere energie, de meest ongrijpbare kracht in het universum. Misschien hebben we een theoretische doorbraak nodig. En mogelijk wordt het geassocieerd met een spooranomalie, een verandering in dynamische grootte of zelfs een spoor van extra dimensies. We hebben pas onlangs het moeilijkste geheim gevonden om uit te leggen. Misschien ligt de oplossing in de fysica die we al kennen.
Ilya Khel
