Вековното пътуване на Коперник към бавно изместване на хората от центъра на всичко е осигурило на нашия вид безпрецедентно разбиране за нашата планета, Слънчевата система и познатата Вселена. Но с всеки космологичен отговор идват множество нови въпроси, нито един от които не е толкова примамлив, колкото мистерията на тъмната енергия.
Още от първите наблюдателни доказателства през 1998 г., когато учените разбраха, че разширяването на Вселената всъщност се ускорява, тъмната енергия заема видно място в повечето водещи теории, опитващи се да обяснят функционирането на Вселената.
ОЩЕ: Радикална теория обединява гравитацията и квантовата механика
Теорията на струните, чиито теоретични корени датират от края на 60-те години на миналия век, е едно от тези обяснения. Много учени смятат, че теорията е почти мъртва (или най-малкото за поддържане на живота), но новите данни от спектроскопичния инструмент за тъмна енергия (DESI), който е проектиран за спектроскопски изследвания на далечни галактики, предоставят някои окуражаващи доказателства, че струнните теоретици може наистина да са прави.
Поне това е идеята зад нова статия, публикувана на сървъра за препринт arXiv. Учени от Virginia Tech, Държавния университет на Ню Йорк (SUNY) и Университета на Уитуотърсранд в Южна Африка твърдят, че наблюденията от DESI – основно, че тъмната енергия отслабва с времето – биха могли да осигурят някои от първите директни наблюдателни доказателства за теорията на струните.
ОЩЕ: Айнщайн може да греши. Физици допускат, че времето може да не съществува
Pete Linforth / Pixabay
Изчисленията на изследователите предполагат, че в най-малките мащаби пространство-времето се държи по дълбоко квантов начин, различавайки се драстично от гладката, непрекъсната структура, която изпитваме в ежедневието. Според техните открития координатите на пространство-времето не се „комутират“ – което означава, че редът, в който се появяват в уравненията, влияе на резултата. Това е подобно на поведението на позицията и скоростта на частицата в квантовата механика.
Едно от най-удивителните последствия от това квантово пространство-време, както е предвидено от струнната теория, е, че то естествено води до космическо ускорение. Нещо повече – изследователите установили, че скоростта, с която това ускорение намалява с течение на времето, се съгласува удивително добре с последните наблюдения от спектроскопичния инструмент за тъмна енергия (DESI).
ОЩЕ: "Квантовата гравитация" може да се появи от холографска Вселена
„Погледнато през обектива на нашата работа, можем да мислим за резултата от DESI като за първото наблюдателно доказателство в подкрепа на теорията на струните и може би първите видими последици от теорията на струните и квантовата гравитация“, казва пред Live Science съавторът на изследването Майкъл Кавик, професор в SUNY Old Westbury, Ню Йорк.
Мистерията на разширяването на Вселената
През 1998 г. два независими екипа – тSupernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team – откриват, че разширяването на Вселената не се забавя, както се смяташе преди, а вместо това се ускорява. Те стигат до това заключение чрез изучаване на далечни свръхнови, които изглеждали по-тъмни от очакваното. Това ускорение предполага наличието на мистериозна същност, проникваща в пространството, по-късно наречена тъмна енергия.
ОЩЕ: В черните дупки няма сингулярност, а ново начало
Произходът на тъмната енергия обаче остава неуловим. Популярна хипотеза предполага, че възниква от квантови флуктуации във вакуума, подобни на тези, наблюдавани в електромагнитното поле. И все пак, когато физиците се опитали да изчислят скоростта на разширяване въз основа на тази идея, стигнали до стойност, която била 120 порядъка по-голяма – потресаващо несъответствие.
NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)
Последните наблюдения на DESI допълнително усложнили картината. Според Стандартния модел на елементарните частици, ако тъмната енергия е просто вакуумна енергия, нейната плътност трябва да остане постоянна във времето. Данните на DESI обаче показват, че скоростта на ускорение не е фиксирана, а намалява с времето – нещо, което Стандартният модел не предвижда.
След обявяването на откритието на DESI миналия месец, че въздействието на тъмната енергия може да отслабва с времето, теоретиците на струните се оживиха, тъй като тази нова част от данните се вписва добре в много съществуващи прогнози на теорията на струните. Кумрун Вафа, физик по теория на струните в Харвардския университет, казва пред Quanta Magazine, че „теорията някак изисква [тъмната енергия] да се промени“.
Разрешаване на мистерията с теория на струните
За да се справят с тези несъответствия, изследователите се обърнали към теорията на струните, един от водещите кандидати за квантова теория на гравитацията. За разлика от Стандартния модел, който третира елементарните частици като точковидни, теорията на струните предполага, че те са малки, вибриращи, едноизмерни обекти, наречени струни. Тези струни, в зависимост от техните режими на вибрация, пораждат различни частици – включително гравитон, хипотетичният квантов носител на гравитацията.
В ново изследване, публикувано в базата данни за предпечат arXiv, но не е рецензирано, физиците приложили теорията на струните, за да анализират пространство-времето на квантово ниво. Като заменили описанието на частиците в Стандартния модел с рамката от теорията на струните, изследователите открили, че самото пространство-време по своята същност е квантово и некомутативно, което означава, че редът, в който се появяват координатите в уравненията, има значение.
Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA
Това радикално отклонение от класическата физика им позволило да извлекат свойствата на тъмната енергия не само от експериментални данни, но директно от фундаментална физическа теория. Техният модел не само дава плътност на тъмната енергия, която съвпада много с данните от наблюденията, но също така правилно прогнозира, че тази енергия трябва да намалява с течение на времето, в съответствие с констатациите на DESI.
Един от най-поразителните аспекти на техния резултат е, че стойността на тъмната енергия зависи от две изключително различни скали на дължина: дължината на Планк, основната скала на квантовата гравитация, която е около 10⁻³³ сантиметра; и размерът на Вселената, който е милиарди светлинни години в диаметър. Подобна връзка между най-малките и най-големите мащаби в Космоса е много необичайна във физиката и предполага, че тъмната енергия е дълбоко свързана с квантовата природа на самото пространство-време.
„Това намеква за по-дълбока връзка между квантовата гравитация и динамичните свойства на природата, които се предполагаше, че са постоянни – казва Майкъл Кавич. – Може да се окаже, че фундаментално погрешно разбиране, което носим със себе си, е, че основните определящи свойства на нашата Вселена са статични, когато всъщност не са.“
Експериментални тестове и бъдещи перспективи
Въпреки че обяснението на екипа за ускореното разширяване на Вселената е значителен теоретичен пробив, необходими са независими експерименти, за да се потвърди техният модел. Изследователите са предложили конкретни начини за тестване на своите идеи.
Едно доказателство „включва откриване на сложни модели на квантова интерференция, което е невъзможно в стандартната квантова физика, но трябва да се случи в квантовата гравитация“, добавя Джордже Минич от Virginia Tech.
Gerd Altmann / Pixabay
Интерференция възниква, когато вълни, като например вълни на светлина или материя, се припокриват и или се усилват, или се неутрализират една друга, създавайки характерни модели. В конвенционалната квантова механика намесата следва добре разбрани правила, обикновено включващи два или повече възможни квантови пътя. Въпреки това интерференцията от по-висок порядък – предвидена от някои модели на квантовата гравитация – предполага по-сложни взаимодействия, които надхвърлят тези стандартни модели. Откриването на такива ефекти в лаборатория би било новаторски тест на квантовата гравитация.
„Това са настолни експерименти, които могат да бъдат извършени в близко бъдеще – в рамките на три до четири години.“
Междувременно изследователите не чакат експериментални потвърждения. Те продължават да усъвършенстват своето разбиране за квантовото пространство-време, както и да изследват допълнителни пътища за тестване на своята теория.
Ако бъдат потвърдени, техните открития ще отбележат голям пробив не само в обяснението на тъмната енергия, но и в предоставянето на първите осезаеми доказателства за теорията на струните – дълго търсена цел във фундаменталната физика.
