Γιατί το μικροσκοπικό βάρος του άδειου χώρου είναι τόσο τεράστιο μυστήριο
Η αμφιλεγόμενη ιδέα ότι το σύμπαν μας είναι απλώς μια τυχαία φούσκα σε ένα ατελείωτο, αφρισμένο πολύσύμπαν προκύπτει λογικά από το πιο αβλαβές χαρακτηριστικό της φύσης:τον κενό χώρο. Συγκεκριμένα, ο σπόρος της υπόθεσης του πολυσύμπαντος είναι η ανεξήγητα μικροσκοπική ποσότητα ενέργειας που εγχέεται στον κενό χώρο - ενέργεια γνωστή ως ενέργεια κενού, σκοτεινή ενέργεια ή κοσμολογική σταθερά. Κάθε κυβικό μέτρο κενού χώρου περιέχει μόνο αρκετή από αυτή την ενέργεια για να ανάψει μια λάμπα για 11 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. «Το κόκκαλο στο λαιμό μας», όπως το έθεσε κάποτε ο νομπελίστας Στίβεν Γουάινμπεργκ, είναι ότι το κενό πρέπει να είναι τουλάχιστον ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές πιο ενεργητικό, λόγω όλης της ύλης και των πεδίων δυνάμεων που διέρχονται από αυτό. Κατά κάποιο τρόπο τα αποτελέσματα όλων αυτών των πεδίων στο κενό σχεδόν εξισώνονται, παράγοντας ήρεμη ακινησία. Γιατί ο κενός χώρος είναι τόσο κενός;
Ενώ δεν γνωρίζουμε την απάντηση σε αυτό το ερώτημα - το περιβόητο «κοσμολογικό σταθερό πρόβλημα» - το ακραίο κενό του κενού μας φαίνεται απαραίτητο για την ύπαρξή μας. Σε ένα σύμπαν εμποτισμένο με ακόμη λίγο περισσότερη από αυτήν την βαρυτικά απωθητική ενέργεια, το διάστημα θα επεκταθεί πολύ γρήγορα για να σχηματιστούν δομές όπως γαλαξίες, πλανήτες ή άνθρωποι. Αυτή η προσεκτικά συντονισμένη κατάσταση υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός σύμπαντων, όλα με διαφορετικές δόσεις ενέργειας κενού, και ότι τυχαίνει να κατοικούμε σε ένα σύμπαν εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας επειδή δεν θα μπορούσαμε να βρούμε τον εαυτό μας πουθενά αλλού.
Μερικοί επιστήμονες διαφωνούν με την ταυτολογία του «ανθρωπικού συλλογισμού» και αντιπαθούν το πολυσύμπαν επειδή είναι αδοκίμαστο. Ακόμη και εκείνοι που είναι ανοιχτοί στην ιδέα του πολυσύμπαντος θα ήθελαν να έχουν εναλλακτικές λύσεις στο πρόβλημα της κοσμολογικής σταθερής προς εξερεύνηση. Αλλά μέχρι στιγμής έχει αποδειχθεί σχεδόν αδύνατο να λυθεί χωρίς ένα πολυσύμπαν. "Το πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας [είναι] τόσο ακανθώδες, τόσο δύσκολο, που οι άνθρωποι δεν έχουν μία ή δύο λύσεις", δήλωσε ο Raman Sundrum, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ.
Για να καταλάβετε γιατί, σκεφτείτε ποια είναι στην πραγματικότητα η ενέργεια του κενού. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν λέει ότι η ύλη και η ενέργεια λένε στον χωροχρόνο πώς να καμπυλωθεί και η καμπυλότητα του χωροχρόνου λέει στην ύλη και στην ενέργεια πώς να κινηθεί. Ένα αυτόματο χαρακτηριστικό των εξισώσεων είναι ότι ο χωροχρόνος μπορεί να έχει τη δική του ενέργεια - τη σταθερή ποσότητα που παραμένει όταν δεν υπάρχει τίποτα άλλο, την οποία ο Αϊνστάιν ονόμασε κοσμολογική σταθερά. Για δεκαετίες, οι κοσμολόγοι υπέθεταν ότι η τιμή του ήταν ακριβώς μηδέν, δεδομένου του λογικά σταθερού ρυθμού διαστολής του σύμπαντος, και αναρωτήθηκαν γιατί. Στη συνέχεια, όμως, το 1998, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι η διαστολή του σύμπαντος στην πραγματικότητα επιταχύνεται σταδιακά, υπονοώντας την παρουσία μιας απωστικής ενέργειας που διαπερνά το διάστημα. Ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια από τους αστρονόμους, είναι σχεδόν σίγουρα ισοδύναμη με την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν. Η παρουσία του κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα, καθώς, καθώς διαστέλλεται, σχηματίζεται νέος χώρος και η συνολική ποσότητα απωθητικής ενέργειας στο σύμπαν αυξάνεται.
Ωστόσο, η συμπεραινόμενη πυκνότητα αυτής της ενέργειας του κενού έρχεται σε αντίθεση με αυτό που έχει να πει η κβαντική θεωρία πεδίου, η γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής, για τον κενό χώρο. Ένα κβαντικό πεδίο είναι κενό όταν δεν υπάρχουν διεγέρσεις σωματιδίων που κυματίζουν μέσα από αυτό. Αλλά λόγω της αρχής της αβεβαιότητας στην κβαντική φυσική, η κατάσταση ενός κβαντικού πεδίου δεν είναι ποτέ βέβαιη, επομένως η ενέργειά του δεν μπορεί ποτέ να είναι ακριβώς μηδενική. Σκεφτείτε ένα κβαντικό πεδίο σαν να αποτελείται από μικρά ελατήρια σε κάθε σημείο του χώρου. Τα ελατήρια κινούνται πάντα, επειδή βρίσκονται μόνο σε κάποιο αβέβαιο εύρος του πιο χαλαρού μήκους τους. Είναι πάντα λίγο πολύ συμπιεσμένοι ή τεντωμένοι, και επομένως πάντα σε κίνηση, διαθέτουν ενέργεια. Αυτό ονομάζεται ενέργεια μηδενικού σημείου του πεδίου. Τα δυναμικά πεδία έχουν θετικές ενέργειες μηδενικού σημείου, ενώ τα πεδία ύλης έχουν αρνητικές, και αυτές οι ενέργειες προστίθενται και αφαιρούνται από τη συνολική ενέργεια του κενού.
Η συνολική ενέργεια του κενού θα πρέπει να είναι περίπου ίση με τον μεγαλύτερο από αυτούς τους παράγοντες που συμβάλλουν. (Ας υποθέσουμε ότι λαμβάνετε ένα δώρο 10.000 $, ακόμα και αφού ξοδέψετε 100 $ ή βρείτε 3 $ στον καναπέ, θα έχετε ακόμα περίπου 10.000 $.) Ωστόσο, ο παρατηρούμενος ρυθμός κοσμικής επέκτασης δείχνει ότι η τιμή του είναι μεταξύ 60 και 120 τάξεις μεγέθους μικρότερη από ορισμένες από τις συνεισφορές ενέργειας μηδενικού σημείου σε αυτό, σαν να έχουν κατά κάποιο τρόπο ακυρωθεί όλοι οι διαφορετικοί θετικοί και αρνητικοί όροι. Η δημιουργία ενός φυσικού μηχανισμού για αυτήν την εξίσωση είναι εξαιρετικά δύσκολη για δύο βασικούς λόγους.
Πρώτον, το μόνο αποτέλεσμα της ενέργειας του κενού είναι βαρυτικό, και έτσι η κλήση προς τα κάτω φαίνεται να απαιτεί έναν βαρυτικό μηχανισμό. Αλλά στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, όταν ένας τέτοιος μηχανισμός θα μπορούσε να λειτουργούσε, το σύμπαν ήταν τόσο μικρό από φυσικής πλευράς που η συνολική ενέργεια του κενού ήταν αμελητέα σε σύγκριση με την ποσότητα της ύλης και της ακτινοβολίας. Η βαρυτική επίδραση της ενέργειας του κενού θα είχε μετριαστεί εντελώς από τη βαρύτητα όλων των άλλων. «Αυτή είναι μια από τις μεγαλύτερες δυσκολίες στην επίλυση του προβλήματος της κοσμολογικής σταθεράς», έγραψε ο φυσικός Raphael Bousso το 2007. Ένας μηχανισμός βαρυτικής ανάδρασης που προσαρμόζει ακριβώς την ενέργεια του κενού στις συνθήκες του πρώιμου σύμπαντος, είπε, «μπορεί να συγκριθεί κατά προσέγγιση με ένα αεροπλάνο που ακολουθεί μια προκαθορισμένη διαδρομή πτήσης με ατομική ακρίβεια, σε μια καταιγίδα.»
Συνδυάζοντας τη δυσκολία, οι υπολογισμοί της κβαντικής θεωρίας πεδίου δείχνουν ότι η ενέργεια του κενού θα είχε μετατοπιστεί σε τιμή ως απόκριση στις αλλαγές φάσης στο σύμπαν ψύξης λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό εγείρει το ερώτημα εάν ο υποθετικός μηχανισμός που ισοφάρισε την ενέργεια του κενού ξεκίνησε πριν ή μετά από αυτές τις μετατοπίσεις. Και πώς θα μπορούσε ο μηχανισμός να ξέρει πόσο μεγάλες θα ήταν οι επιπτώσεις τους, για να τις αντισταθμίσει;
Μέχρι στιγμής, αυτά τα εμπόδια έχουν εμποδίσει τις προσπάθειες να εξηγηθεί το μικροσκοπικό βάρος του άδειου χώρου χωρίς να καταφύγουμε σε μια λοταρία πολλαπλών συστάσεων. Αλλά πρόσφατα, ορισμένοι ερευνητές έχουν εξερευνήσει μια πιθανή λεωφόρο:Εάν το σύμπαν δεν εμφανιζόταν, αλλά αναπήδησε, μετά από μια προηγούμενη φάση συστολής, τότε το συσταλτικό σύμπαν στο μακρινό παρελθόν θα ήταν τεράστιο και θα κυριαρχούσε η ενέργεια του κενού. Ίσως κάποιος βαρυτικός μηχανισμός θα μπορούσε τότε να έχει δράσει στην άφθονη ενέργεια του κενού, αραιώνοντάς την με φυσικό τρόπο με την πάροδο του χρόνου. Αυτή η ιδέα παρακίνησε τους φυσικούς Peter Graham, David Kaplan και Surjeet Rajendran να ανακαλύψουν ένα νέο μοντέλο κοσμικής αναπήδησης, αν και δεν έχουν ακόμη δείξει πώς μπορεί να λειτουργούσε η αραίωση κενού στο σύμπαν που συστέλλεται.
Σε ένα email, ο Bousso χαρακτήρισε την προσέγγισή τους «μια πολύ αξιόλογη προσπάθεια» και «έναν ενημερωμένο και ειλικρινή αγώνα με ένα σημαντικό πρόβλημα». Ωστόσο, πρόσθεσε ότι παραμένουν τεράστια κενά στο μοντέλο και «τα τεχνικά εμπόδια για την κάλυψη αυτών των κενών και τη λειτουργία του είναι σημαντικά. Η κατασκευή είναι ήδη μια μηχανή Rube Goldberg και στην καλύτερη περίπτωση θα γίνει ακόμα πιο περίπλοκη μέχρι να καλυφθούν αυτά τα κενά». Αυτός και άλλοι οπαδοί του πολυσύμπαντος βλέπουν την απάντησή τους ως πιο απλή συγκριτικά.
