إخراج الطاقة المظلمة إلى النور

رسم توضيحي للطاقة المظلمة والجاذبية

يعتقد علماء الفلك أن توسع الكون تنظمه قوة الجاذبية والطاقة المظلمة الغامضة. في تصور هذا الفنان ، يتم تمثيل الطاقة المظلمة بالشبكة الأرجواني أعلاه ، والجاذبية من خلال الشبكة الخضراء أدناه. (رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech)





بول سوتر هو عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز العلوم COSI . سوتر هو أيضا مضيف ' اسأل رائد فضاء ' و ' راديو الفضاء ويؤدي AstroTours حول العالم. ساهم سوتر بهذا المقال في أصوات الخبراء في ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights.

لنتحدث عن الطاقة المظلمة. نحن نعلم منذ حوالي 20 عامًا أن تمدد كوننا يتسارع ؛ كل يوم ، ينمو كوننا أكبر وأكبر ، ويقوم بذلك بشكل أسرع وأسرع. إنه تأثير خفي ، ويحتاج إلى مسوحات ودراسات كونية مكثفة وعميقة للعلماء لملاحظة ذلك. لكن العديد من الأدلة المستقلة تشير جميعها إلى نفس النتيجة: تسريع التوسع.

طبخ علماء الفلك بسرعة اسمًا رائعًا لهذا التوسع المتسارع: الطاقة المظلمة. لكننا الآن أمام مهمة أصعب بكثير تتمثل في العثور على الجاني - ما سبب ذلك؟ [ المادة المظلمة والطاقة المظلمة: شرح الغموض (إنفوجرافيك) ]



خطأ عام

نستخدم النسبية العامة ، أعظم إبداع ألبرت أينشتاين ، لفهم الجاذبية بكل مظاهرها ، بما في ذلك توسع الكون. لكن معادلات النظرية لها مجال كبير للمناورة. على وجه التحديد ، تسمح بما يسمى 'الثابت الكوني' ، وهو مصطلح ثابت يمكن إلحاقه بالنهاية. لا تؤدي إضافة هذا الثابت إلى تغيير أوصاف النظرية لتفاعلات الجاذبية اليومية العادية ، ولكنها تجعل نفسها معروفة عندما تحسب تمدد الكون.

سيكون ميلنا الطبيعي هو ضبط هذا الثابت على الصفر ونسيانه ، لكن أينشتاين نفسه قدمه لأنه وجد أنه بدونه ، تنبأت نسبته بكون ديناميكي. في ذلك الوقت ، كان كل من الفيزيائيين وعامة الناس يعتقدون أن الكون ثابتًا ولا يتغير ، لذلك حدد أينشتاين قيمة للثابت لمنع تلك التنبؤات الديناميكية. وبعد ذلك أظهر عالم الفلك إدوين هابل للجميع أننا نعيش بالفعل في كون متوسع ، وأدرك أينشتاين أنه فقد فرصة ذهبية للتنبؤ بتلك الملاحظة الثورية. اوه حسنا.

لكن في الوقت الحاضر ، نواجه توسعًا متسارعًا ، وأبسط تفسير لدينا هو أن الطاقة المظلمة هي ببساطة الثابت الكوني الأصلي لأينشتاين. لكن الثابت في حد ذاته هو مجرد رقم - ما أهميته المادية؟



انظر إلى الفراغ

في ستينيات القرن الماضي ، أجرى عالم الفيزياء الفلكية السوفيتي والعبقري الشامل ياكوف زيلدوفيتش علاقة مذهلة. الثابت الكوني الذي يظهر في معادلات أينشتاين ليس سوى طاقة الفراغ التي تتنبأ بها نظرية المجال الكمومي.

وفقًا لهذه النظرية ، تتخلل مجموعة من المجالات الكمومية كل الزمكان. في بعض الأحيان ، تتحمس أجزاء من هذه الحقول وتتحرك ، وهذا ما نحدده على أنه جسيمات. لكن إذا تركت دون قلق ، لا تزال الحقول مرتبطة بالطاقة. بعبارة أخرى ، الفراغ الفارغ للزمكان له طاقة أولية ، وهذه الطاقة يمكن تحديدها على أنها الثابت الكوني في النسبية العامة ، مما يعني أنها قد تكون الطاقة المظلمة نفسها.

والآن ، بعد أن أصبح لدينا نوعًا من المسار الذي يجب أن نتبعه ، ما الذي نتوقع أن تكون عليه قيمة الطاقة المظلمة؟ الرياضيات ليست سهلة ، لكن عليك فقط قلب نظرية المجال الكمي ، وإخراج الملوثات العضوية الثابتة ... اللانهاية. حسنًا ، هذا لن ينجح.



هناك ألعاب يمكنك لعبها لجعل القيمة المتوقعة للطاقة المظلمة ليست لانهائية ، ولكن بغض النظر عما تفعله ، ينتهي بك الأمر دائمًا بعدد كبير جدًا. ولكن ماذا عن المقدار الفعلي المرصود من الطاقة المظلمة المحسوبة من معدل التمدد المتسارع؟ إنها صغيرة جدًا: تعادل الطاقة أقل بقليل من ذرة هيدروجين واحدة لكل متر مكعب (35 قدمًا مكعبًا).

هذا التناقض 'البسيط' بين القيمة المتوقعة للطاقة المظلمة ومعدل التوسع الملحوظ هو أحد أكبر الألغاز في الفيزياء الحديثة. ومن المحتمل أن يأتي دقتها الكاملة فقط مع حساب حقيقي بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة.

حتى ذلك الحين ، ربما يجب أن نفهم كيف يمكن لطاقة الفراغ أن تسرع من التمدد.

اسحب للدفع

هذه واحدة من تلك الحالات الغريبة التي تكون فيها الرياضيات الكامنة وراء الفيزياء واضحة تمامًا ولا لبس فيها: ببساطة ، تتسبب طاقة الفراغ الثابتة في تسريع تمدد الكون. لكن وضع هذا الاستنتاج في كلمات حتى نتمكن من فهمه بشكل حدسي هو مسألة أخرى تمامًا ، والتي كافح علماء الكون من أجلها لعقود.

سأقوم بتجربته بنفسي ، لكن إذا أردت فقط أن تقول لنفسك ، 'لأن الرياضيات تقول ذلك' ، وانتقل إلى القسم التالي ، فلن ألومك.

خاصيتان رئيسيتان لـ طاقة الفراغ تؤثر على التوسع. واحد هو استمرار الفراغ. مع توسع الكون ، هناك مساحة أكبر ، وبالتالي هناك المزيد من الفراغ ، وبالتالي هناك المزيد من طاقة الفراغ. لذلك ، في كوننا المتطور ، نجد المزيد والمزيد من الطاقة المظلمة الموجودة حولنا. خاصية الفراغ الثانية التي تعتبر أساسية للتوسع هي أن للفراغ توترًا (عادةً ما يُشار إليه بشكل مربك باسم 'الضغط السلبي' ، ولكن نفس الصفقة). هذا التوتر يقاوم تمدد الكون. إنها تحاول كبح جماح الكون المتوسع.

ضع هاتين الخاصيتين معًا وستحصل على عكس ما قد تتوقعه تمامًا. وذلك لأن معادلات النسبية العامة تحسب جميع مصادر الطاقة لتحديد سلوك تمدد الكون ، ويمكن أن تسهم مصادر الطاقة المختلفة في تأثيرات إيجابية أو سلبية. لذلك ، يتم حساب الطاقة الخام للفراغ ، والتي ستكون مساهمة جذابة ، مما يؤدي إلى إبطاء تمدد الكون. ولكن كذلك فعل توتر الفراغ ، والذي يساهم فعليًا بشكل مثير للاشمئزاز. ، بعبارة أخرى ، في رياضيات النسبية العامة ، يحمل التوتر الناتج عن الطاقة المظلمة علامة ناقصًا معها ، ويساهم في تسريع تمدد الكون).

اتضح أن النسبية العامة تهتم بالضغط والتوتر أكثر من الطاقة الخام. هذا شيء غير مألوف تمامًا بالنسبة لنا في تجربتنا اليومية ؛ في جميع الحالات الأخرى تقريبًا ، مثل الحركات في النظام الشمسي أو حتى بالقرب من الثقوب السوداء ، لا يهم الضغط / التوتر في الحساب. لكن الأمر مهم هنا.

المفارقة النهائية هي أنه على الرغم من أننا نحصل على المزيد والمزيد من الطاقة المظلمة كل يوم ، والتي عادة ما تحاول تقليص الكون ، إلا أن مقاومتها الخاصة لهذا التوسع تؤدي إلى قلب المعادلة بأكملها وتسريع نمو الكون بدلاً من ذلك.

في الظلام

قد يكون التفسير أعلاه مرضيًا وقد لا يكون كذلك. مرة أخرى ، الرياضيات واضحة ، لكن لا توجد طريقة بسيطة لترجمة هذه المعادلات إلى اللغة الإنجليزية. ومع ذلك ، فإن سلوك طاقة الفراغ هو أفضل تفسير لدينا حاليًا للتوسع المتسارع للكون. وهي ليست الأعظم. كما رأينا ، نحن نفتقر بشدة إلى قدرتنا على توقع مقدار التسارع.

في حين أن وجود الطاقة المظلمة أمر لا شك فيه ، إلا أن سببها غير معروف في النهاية. لدينا بعض المشتبه بهم المحتملون ولكن ليس لدينا أدلة دامغة. نحن بحاجة إلى مزيد من التجسس ، وقياس معدل تمدد الكون وتاريخ معدل التوسع إلى دقة أكبر من أي وقت مضى. ولكن نظرًا لأن الطاقة المظلمة لها تأثير خفي للغاية ، فسوف يتطلب الأمر جيلًا جديدًا تمامًا من الملاحظات للكشف (نأمل) عن بعض الإجابات.

تعلم المزيد من خلال الاستماع إلى الحلقة 'كيف تسرع الطاقة المظلمة الكون؟' في بودكاست 'اسأل رائد فضاء' ، متاح على اي تيونز وعلى الويب في http://www.askaspaceman.com . بفضل Siri L. و Oscar Z. و Olivia P. و Solly F. و Peter W. و Scott M. و Mallet و Smuel و chrissscottt و Colin E. و Dana R. و Lindsay F. و Rowan H. و Robert R . و ozderecko و Sam B. عن الأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك الخاص على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع Paul تضمين التغريدة وعلى facebook.com/PaulMattSutter . تابعنا على تويتر تضمين التغريدة و على موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك . المقالة الأصلية بتاريخ موقع guesswhozoo.com .