Τετάρτη, 22 Ιουνίου 2016

Το κενό, που είναι πραγματικά άδειο, λύνει το αίνιγμα της σκοτεινής ενέργειας

Σκοτεινή ενέργειαΟ κενός χώρος μπορεί πραγματικά να είναι άδειος. Αν και η κβαντική θεωρία προτείνει ότι το κενό θα πρέπει να σφύζει με τη δραστηριότητα εικονικών σωματιδίων, αποδεικνύεται ότι αυτή η παράδοξη εικόνα του τίποτα μπορεί να μην είναι απαραίτητη. Μια ήρεμη άποψη του κενού θα συμβάλει στην επίλυση μια διαρκούς ανακολουθίας με στην υπόθεση της σκοτεινής ενέργειας, την φευγαλέα δύναμη που θεωρείται ότι είναι η αιτία της επιτάχυνσης της διαστολής του σύμπαντος.

Η κβαντική θεωρία πεδίου μας λέει ότι συνεχώς δημιουργούνται και καταστρέφονται στον φαινομενικά κενό χώρο βραχύβια ζεύγη σωματιδίων και αντισωματιδίων. Ένας κλάδος της θεωρίας, που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD) – που εξηγεί πώς τα γκλουόνια και κουάρκ, τα σωματίδια που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, συμπεριφέρονται – προβλέπει ότι το κενό θα πρέπει να είναι πλημμυρισμένο με μία θάλασσα κουάρκ (ένα συμπύκνωμα) και γκλουονίων που αλληλεπιδρούν. Η εικόνα αυτή εξηγεί πώς τα σωματίδια τα οποία φτιάχνονται από κουάρκ αποκτούν την περισσότερη από την μάζα τους.

Αυτό το συμπύκνωμα μεταφέρει ενέργεια, οπότε μπορεί κάποιος να σκεφθεί ότι είναι υποψήφιο στοιχείο για τη μυστηριώδη πηγή της σκοτεινής ενέργειας, η οποία μπορεί να περιγραφεί από μια παράμετρο που ονομάζεται κοσμολογική σταθερά. Το πρόβλημα είναι ότι όταν οι φυσικοί χρησιμοποιούν την QCD για να εκτιμηθεί η πυκνότητα ενέργειας του συμπυκνώματος του, οι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι το κενό θα περιέχει ενέργεια που είναι 1045 φορές την ενέργεια της κοσμολογικής σταθεράς, που μετράμε από τις παρατηρήσεις της διαστολής του σύμπαντος.

Τώρα, ο Stanley Brodsky του Εργαστηρίου SLAC της Καλιφόρνια, και οι συνεργάτες του έχουν βρει έναν τρόπο για να απαλλαγούμε από αυτή την διαφορά ανάμεσα στους υπολογισμούς της σωματιδιακής με την κοσμολογική φυσική. "Οι άνθρωποι νόμιζαν έως τώρα ότι αυτό το συμπύκνωμα των κουάρκ είναι παρών σε ολόκληρο το κενό χώρο”, λέει ο Brodsky. Αντιθέτως, η ομάδα του τώρα υποθέτει ότι το συμπύκνωμα υπάρχει μόνο μέσα σε πρωτόνια, νετρόνια, πιόνια και όλα τα άλλα σωματίδια που περιέχουν κουάρκ, τα λεγόμενα αδρόνια.

“Στο μοντέλο μας, τα κουάρκ και τα γκλουόνια δεν μπορούν να αναδυθούν από το κενό και μετά να καταστραφούν, παρά μόνο μέσα στα αδρόνια”, εξηγεί το μέλος της ομάδας Craig Roberts. Ως εκ τούτου, το κενό είναι πολύ πιο ήρεμο και, κυρίως, το πρόβλημα που θέτει για την τιμή της κοσμολογικής σταθεράς, μειώνεται.

Το 1974, ο Aharon Casher του Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ και ο Leonard Susskind, που τώρα βρίσκεται στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, πρότειναν ότι ένα συμπύκνωμα που θα βρίσκεται μόνο μέσα στα αδρόνια θα μπορούσε να δώσει σε αυτά τα σωματίδια μάζα. Ο Brodsky και οι συνεργάτες του τώρα είναι οι πρώτοι που δείχνουν ότι η ιδέα αυτή βοηθά, επίσης, και την επίλυση της διαφοράς της τιμής στην σκοτεινή ενέργεια.

Ο Daniel Phillips του Πανεπιστημίου της Αθήνας του Ohio, είναι ενθουσιασμένος από το αποτέλεσμα, αλλά λέει ότι πρέπει να γίνει περισσότερη δουλειά για να αποδείξει ότι το συμπύκνωμα (γκλουονίων – κουάρκ) δεν μπορεί να διαρρεύσει έξω από τα αδρόνια και να υπάρξει μέσα στο κενό. Επισημαίνει ότι το αποτέλεσμα δεν αποκλείει την ύπαρξη ενός κενού με συμπύκνωμα. "Απλά δείχνει να μην χρειάζεται να προστεθεί."

Ένα άλλο ζήτημα είναι ότι το συμπύκνωμα κουάρκ και γκλουονίων που προβλέπεται από την QCD δεν είναι οι μόνοι φορείς για την παρατηρούμενη κοσμολογική σταθερά. Άλλες θεωρίες προβλέπουν ενέργεια του κενού που επίσης υπερβαίνει κατά πολύ αυτήν (δείτε το "The worst prediction physics ever made"). "Για την επίλυση του προβλήματος της κοσμολογικής σταθεράς θα πρέπει να εξαλειφθούν όλες αυτές οι εισφορές”, λέει ο Dejian Stojkovic του Πανεπιστημίου στο Buffalo της Νέας Υόρκης.

Η χειρότερη φυσική πρόβλεψη που έγινε ποτέ

Το πρόβλημα είναι ότι όλες οι πιθανές πηγές αυτής της ενέργειας του κενού (για την επιτάχυνση της διαστολής) δίνουν τιμές που υπερβαίνουν κατά πολύ την κοσμολογική σταθερά, μια εκτίμηση της ενεργειακής πυκνότητας του Σύμπαντος που βασίζεται μόνο στον παρατηρούμενο ρυθμό επέκτασής του. Μια νέα μελέτη (όπως η προηγούμενη) μπορεί να απαλλαγεί από μια πηγή επιπλέον ενέργειας για το κενό, αλλά υπάρχουν και άλλα, ακόμη πιο προβληματικά πράγματα. Όπως το μποζόνιο Higgs, που θεωρείται ότι είναι εν μέρει υπεύθυνο για τη χορήγηση μάζας σε άλλα σωματίδια, πιστεύεται ότι έχει ένα πεδίο του οποίου η ενέργεια είναι 1056 φορές την παρατηρούμενη κοσμολογική σταθερά. Εν τω μεταξύ, η ενέργεια του κενού που συνδέεται με τη μεγάλη ενοποιημένη θεωρία – που αποσκοπεί στην ενοποίηση ηλεκτρομαγνητισμού και των πυρηνικών δυνάμεων – δίνει μια τιμή 10110 φορές. Τιμή τεράστια και έξω από κάθε λογική.

Η μεγαλύτερη διαφορά από όλες τις συνεισφορές προέρχεται από τις προσπάθειες να ενοποιήσουμε την κβαντική μηχανική και την γενική σχετικότητα. Στο πλαίσιο της λεγόμενης κβαντικής βαρύτητας, η ενεργειακή πυκνότητα είναι 10120 φορές πιο μεγάλη από την παρατηρούμενη. «Αυτή στην πραγματικότητα είναι και η χειρότερη πρόβλεψη που έκανε η φυσική ποτέ», συμπληρώνει.