Zašto je mala težina praznog prostora tako ogromna misterija

Količina energije koja ima prazan prostor izgleda premala da se objasni bez multisvemira. Ali fizičari imaju najmanje jednu alternativu da istraže.

Kontroverzna ideja da je naš univerzum samo nasumičan balon u beskrajnom, multisvemiru logično se pojavljuje iz najočitijeg karaktera prirode: praznog prostora. Konkretno, izvor hipoteze o multisvemiru je neobjašnjivo mala količina energije inficirane u praznom prostoru – energija poznata kao vakuumska energija, tamna energija ili kosmološka konstanta. Svaki kubni metar praznog prostora sadrži samo dovoljno ove energije da osvjetli sijalicu 11 trilionitih dijelova sekunde. “Kost u našem grlu”, kako je jednom naglasio dobitnik Nobelove nagrade Steven Weinberg, da je vakum trebao biti najmanje trilijon triliona triliona biliona biliona puta s više energije, zbog svih stvari i polja sile koja teku kroz njega. Nekako se efekti svih ovih polja na vakuumu gotovo izjednačavaju, stvarajući mirnu tišinu. Zašto je prazan prostor tako prazan?

Iako mi ne znamo odgovor na ovo pitanje – zloglasni “kosmološki konstantni problem” – ekstremna praznina našeg vakuuma je neophodna za naše postojanje. U univerzumu prožetom čak i s malo više od ove gravitaciono odbojne energije, prostor bi se previše brzo širio za strukture poput galaksija, planeta ili ljudi koji se formiraju. Ova savršena situacija ukazuje na to da možda ima postoji ogroman broj univerzuma, svaki sa različitim dozama vakuumske energije, i da se desilo da naseljavamo izuzetno niskoenergetski univerzum, jer se nismo mogli naći na bilo kom drugom mjestu.

Neki naučnici se protive tautologiji “antropskog obrazloženja” i ne vole hipotezu multisvemira jer se ne može testirati. Čak i oni koji su otvoreni za multisvemirsku ideju voljeli bi imati alternativna rješenja za kosmološki konstantni problem za istraživanje. Ali do sada se pokazalo gotovo nemoguće riješiti bez multisvemira. “Problem mračne energije je tako strašan, tako težak, da ljudi nemaju jedno ili dva rješenja”, rekao je Raman Sundrum, teoretski fizičar na Univerzitetu u Marylandu.


Da razumijete zašto, uzmite u obzir šta je zapravo energija vakuuma. Opšta teorija relativnosti Alberta Ajnštajna kaže da materija i energija određuju kako će se prostor-vrijeme zakriviti, a krivulja zakrivljenosti prostor – vremena govori materiji i energiji kako da se kreću. Automatska karakteristika jednačina je da prostor – vrijeme može posjedovati sopstvenu energiju – konstantnu količinu koja ostaje kada ništa drugo nije tu, što je Einstein nazvao kosmološkom konstantom. Decenijama kosmolozi su pretpostavili da je njena vrijednost tačno nula, s obzirom na relativno stabilnu brzinu ekspanzije, i pitali su se zašto. Ali tada, 1998. godine, astronomi su otkrili da ekspanzija kosmosa zapravo postepeno ubrzava, što implicira prisustvo odbojne energije koja prolazi kroz prostor. Astronomi su to nazvali tamna energija, što je ekvivalentno Einsteinovoj kosmološkoj konstanti. Njegovo prisustvo prouzrokuje kosmos da se sve brže proširi, jer se, kako se širi, pojavljuju novi oblici prostora, a ukupna količina odbojne energije u kosmosu se povećava.

Međutim, inferredna gustina ove vakuumske energije suprotstavlja se onoj kvantnoj teoriji polja, jeziku fizike čestica, o praznom prostoru. Kvantno polje je prazno kada ne dođe do eksplitacije čestica kroz njega. Ali zbog principa nesigurnosti u kvantnoj fizici, stanje kvantnog polja nikada nije sigurno, tako da njena energija nikada ne može biti tačno nula. Zamislite kvantno polje koje se sastoji od malih izvora u svakoj tački u svemiru. Izvori se uvjek mrmljaju, jer su samo u nekom neizvjesnom opsegu njihove dužine. Oni su uvjek previše komprimirani ili istegnuti, pa su stoga uvjek u pokretu, posjeduju energiju. Ovo se zove energija nulte tačke polja. Polja sile imaju pozitivne nulte tačke energije dok materije polja imaju negativne i te energije doprinose i oduzimaju od ukupne energije vakuuma.

Ukupna vakuumska energija bi trebala biti približno jednaka najvećem od ovih doprinosivih faktora. (Recimo da dobijete poklon od 10.000 dolara, čak i nakon što potrošite 100 dolara ili pronalazite 3 dolara na kauču, i dalje ćete imati oko 10.000 dolara.) Pa ipak, posmatrana brzina kosmičke ekspanzije pokazuje da je njena vrijednost između 60 i 120 redaka manja nego neka od nultih doprinosa energije za nultu tačku, kao da su svi različiti pozitivni i negativni uslovi nekako otkazani. Doći do fizičkog mehanizma za ovo izjednačavanje je izuzetno teško iz dva glavna razloga.


Prvo, jedini efekat energije vakuuma je gravitacioni, pa je iza toga gravitacioni mehanizam. Ali u prvih nekoliko trenutaka svemira, kada je takav mehanizam mogao da funkcioniše, univerzum je bio toliko fizički mali da je njegova ukupna vakuumska energija bila zanemarljiva u poređenju sa količinom materije i zračenjem. Gravitacioni efekat vakuumske energije bio bi u potpunosti poništen gravitacijom svega ostalog. “Ovo je jedna od najvećih poteškoća u rješavanju kosmološkog konstantnog problema”, napisao je fizičar Raphael Bousso 2007. Gravitacijski povratni mehanizam precizno prilagođava vakuumsku energiju u uslovima ranog univerzuma, rekao je on, “može se grubo uporediti sa avionom koji slijdi propisani put do atomske preciznosti, u oluji.”

Ono što umnožava teškoće, kvantne teorijske kalkulacije pokazuju da bi se vakuumska energija promjenila u vrijednosti kao odgovor na promjene faza u univerzumu za hlađenje neposredno nakon Velikog praska. Ovo pokreće pitanje da li je hipotetički mehanizam koji je izjednačio energiju vakuuma ušao prije ili poslije tih smjena. I kako je mehanizam mogao znati koliko će im biti veliki efekti, kako bi ih nadoknadili?

Do sada su ove prepreke ometale pokušaje da objasne malu težinu praznog prostora bez pribjegavanja multisvemirskoj lutriji. Ali nedavno su neki istraživači istraživali jednu moguću aveniju: ako univerzum nije udario u egzistenciju, ali umjesto toga odbio se, nakon ranije kontrakcione faze, onda bi univerzalni ugovor u dalekoj prošlosti bio ogroman i dominirao energijom vakuuma. Možda je neki gravitacioni mehanizam tada djelovao na obiljujućoj vakuumskoj energiji, razređujući ga na prirodan način tokom vremena. Ova ideja motivisala je fizičare Petra Grahama, Dejvida Kaplana i Surjeeta Rajendrana da otkriju novi model kosmičkog odbijanja, mada još nisu pokazali kako bi radio na razblaženju vakuuma u ugovornom univerzumu.

U jednom e – mailu, Bousso je svoj pristup nazvao “veoma vrednim pokušajima” i “informiranom i iskrenom borbom sa značajnim problemom”. Međutim, on je dodao da postoje ogromne praznine u modelu i “tehničke prepreke za popunjavanje ovih praznina je značajan. Konstrukcija je već mašina Rube Goldberg-a, i to će u najboljem slučaju biti još zbunjeno do trenutka kada se ove praznine popune. “On i druge pristalice multisvemira smatraju da je njihov odgovor jednostavniji za poređenje.

Izvor: quantamagazine.org

 1,025 total views,  2 views today

Arnes K.

Ja sam nastavnik i profesor fizike koji nastoji da ispuni rupe u svom i svačijem znanju kako bi svi bili bolje informisani i mogli da donosimo bolje odluke i živimo bolji život.

Šta vi mislite o ovom? Ostavite vaš komentar i podijelite mišljenje sa svima.

Sva Fizika
%d bloggers like this: