Hợp chất UV-nhìn thấy-IR đầy đủ của XDF; hình ảnh vĩ đại nhất từng được phát hành của vũ trụ xa xôi. Mọi thiên hà được hiển thị ở đây cuối cùng sẽ tăng tốc ra khỏi chúng ta với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng, nhờ vào năng lượng tối. Tín dụng hình ảnh: NASA, ESA, H. Teplitz và M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Đại học bang Arizona) và Z. Levay (STScI).

Một lời giải thích mới cho năng lượng tối: vấn đề trong Vũ trụ của chúng ta

Làm thế nào hiệu ứng Casimir hấp dẫn có thể gây ra sự giãn nở tăng tốc của Vũ trụ chúng ta, mà không có bất kỳ vật lý mới nào cả.

Mặc dù chắc chắn đúng là các phép đo định lượng có tầm quan trọng rất lớn, nhưng thật sai lầm khi cho rằng toàn bộ vật lý thực nghiệm có thể được đưa vào dưới tiêu đề này. -Hendrik Casimir

Kể từ khi sự mở rộng của Vũ trụ lần đầu tiên được tìm thấy tăng tốc gần 20 năm trước, các nhà khoa học đã khao khát một lời giải thích hấp dẫn, đơn giản và có thể kiểm chứng. Tuy nhiên, khi ngày càng có nhiều dữ liệu từ các thí nghiệm và quan sát, nguyên nhân của năng lượng tối này - nguyên nhân được đưa ra giả thuyết của sự tăng tốc - đã trở nên khó nắm bắt một cách điên cuồng. Mặc dù nó có chức năng tương đương với hằng số vũ trụ học của người Viking (hoặc năng lượng của vốn có trong không gian của chính mình), không có cách nào tốt để đưa ra dự đoán về giá trị của nó. Tuy nhiên, nếu bạn cho rằng việc đưa một số dạng vật chất vào không gian trống sẽ thay đổi lực lượng đối với vật chất đó, có lẽ năng lượng tối phát sinh từ nguyên nhân đơn giản nhất trong tất cả: thực tế là Vũ trụ của chúng ta chứa đựng vật chất.

Một bản đồ về mô hình co cụm / cụm mà các thiên hà trong Vũ trụ của chúng ta trưng bày ngày nay. Sự hiện diện của các cấu trúc này có thể giải thích toàn bộ sự hiện diện và cường độ của năng lượng tối. Tín dụng hình ảnh: Trung tâm bay không gian Greg Bacon / STScI / NASA Goddard.

Hầu hết các lực lượng và hiện tượng trong Vũ trụ có nguyên nhân có thể dễ dàng phát hiện ra. Hai vật thể lớn trải qua một lực hấp dẫn do thực tế là không thời gian bị cong bởi sự hiện diện của vật chất và năng lượng. Vũ trụ đã mở rộng khi nó có trong lịch sử của nó do mật độ năng lượng thay đổi của Vũ trụ và các điều kiện mở rộng ban đầu. Và tất cả các hạt trong Vũ trụ đều trải qua các tương tác mà chúng thực hiện do các quy tắc đã biết của lý thuyết trường lượng tử và trao đổi các boson vector. Từ các hạt nhỏ nhất, hạ nguyên tử đến quy mô lớn nhất của tất cả, các lực tương tự đang chơi, giữ mọi thứ từ proton đến con người đến các hành tinh đến các thiên hà cùng nhau.

Lực mạnh, hoạt động như vậy là do sự tồn tại của 'điện tích màu' và trao đổi gluon, chịu trách nhiệm cho lực giữ các hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Tín dụng hình ảnh: Người dùng Wikimedia Commons Qashqaiilove.

Ngay cả một số hiện tượng bí ẩn hơn cũng có những giải thích cơ bản được hiểu rõ. Chúng ta không biết làm thế nào có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong Vũ trụ, nhưng chúng ta biết rằng các điều kiện chúng ta cần cho nó - vi phạm số baryon, ngoài các điều kiện cân bằng và vi phạm C và CP - đều tồn tại. Chúng ta không biết bản chất của vật chất tối là gì, nhưng tính chất chung của nó, vị trí của nó và cách nó kết hợp với nhau được hiểu rõ. Và chúng ta không biết liệu lỗ đen có bảo toàn thông tin hay không, nhưng chúng ta hiểu trạng thái cuối cùng và ban đầu của những vật thể này, cũng như cách chúng xuất hiện và điều gì xảy ra với chân trời sự kiện của chúng theo thời gian.

Tác giả của một lỗ đen và đĩa xung quanh, tăng tốc và không thể tích tụ. Các trạng thái ban đầu và cuối cùng của các lỗ đen có thể được dự đoán tốt, ngay cả khi hiện tại việc mất hoặc lưu giữ thông tin không thể. Tín dụng hình ảnh: NASA.

Nhưng có một điều chúng ta không hiểu chút nào: năng lượng tối. Chắc chắn, chúng ta có thể đo gia tốc của Vũ trụ và xác định chính xác cường độ của nó là bao nhiêu. Nhưng tại sao chúng ta có một Vũ trụ với giá trị khác không cho năng lượng tối? Tại sao không gian trống, không có mọi thứ - không có vấn đề, không có độ cong, không bức xạ, không có gì - có năng lượng tích cực, khác không? Tại sao nó phải khiến cho Vũ trụ tự mở rộng với tốc độ luôn luôn tích cực, không bao giờ đạt tới mức 0? Và tại sao lượng năng lượng mà nó lại nhỏ bé đến mức không thể tin được, nó hoàn toàn không được chú ý trong vài tỷ năm đầu tiên của lịch sử Vũ trụ, và chỉ thống trị Vũ trụ trong khoảng thời gian Trái đất được hình thành?

Một minh họa về một đĩa tiền điện tử, trong đó các hành tinh và hành tinh hình thành trước tiên, tạo ra các 'khoảng trống' trong đĩa khi chúng hoạt động. Khoảng bốn đến năm tỷ năm trước, khi Hệ mặt trời của chúng ta hình thành, năng lượng tối đồng thời xuất hiện để thống trị tốc độ mở rộng và mật độ năng lượng của Vũ trụ. Tín dụng hình ảnh: NAOJ.

Có rất nhiều điều chúng ta có thể lưu ý về năng lượng tối và Vũ trụ, rất thú vị và gợi mở về một kết nối. Có rất nhiều không gian trống, và chúng ta biết có tất cả các trường lượng tử trên khắp nó. Không có vùng nào trong Vũ trụ mà lực hấp dẫn, điện từ hoặc hạt nhân không thể chạm tới; họ hoàn toàn ở khắp mọi nơi Nếu chúng ta thử và tính toán cái mà chúng ta gọi là giá trị kỳ vọng chân không (VEV) của các trường lượng tử khác nhau trong đó, trước tiên chúng ta chỉ có thể làm điều đó một cách xấp xỉ, bởi vì có vô số thuật ngữ chúng ta có thể viết ra theo thứ tự cao tùy ý . Nếu chúng tôi cắt xén bộ truyện tại bất kỳ thời điểm nào, chúng tôi có thể thêm vào những đóng góp gần đúng là gì và chúng tôi rất thất vọng.

Một vài thuật ngữ góp phần tạo ra năng lượng điểm không trong điện động lực học lượng tử. Tín dụng hình ảnh: RL Jaffe, từ https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Nếu chúng ta thực hiện phép toán đó, chúng ta sẽ có những đóng góp có độ lớn xấp xỉ 120 bậc, quá lớn và tích cực. Theo như chúng tôi có thể nói, họ không hủy bỏ chính xác, và ngay cả khi họ đã làm, chúng tôi vẫn gặp phải vấn đề quan sát đáng tiếc rằng Vũ trụ không hồi tưởng, chậm lại hoặc không đạt được tỷ lệ 0; nó thực sự, thực sự đang tăng tốc. Bằng cách nào đó có một năng lượng nhỏ nhưng khác không vốn có của chính không gian. Và năng lượng đó đang khiến các thiên hà xa xôi trong Vũ trụ tăng tốc trong cuộc suy thoái của chúng từ chúng ta, mặc dù rất chậm, theo thời gian.

Bốn số phận có thể của Vũ trụ của chúng ta trong tương lai; người cuối cùng dường như là Vũ trụ chúng ta đang sống, bị chi phối bởi năng lượng tối. Tín dụng hình ảnh: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Có lẽ câu hỏi lý thuyết lớn nhất trong tất cả là tại sao? Tại sao Vũ trụ tăng tốc? Chúng tôi thực sự không có lời giải thích tốt cho nguyên nhân của năng lượng tối này. Gần đây chúng tôi đã xem xét khả năng đó là neutrino đóng băng, hoặc đó có thể là triệu chứng của chúng tôi có gì đó không ổn với Vũ trụ đang mở rộng. Nhưng có một khả năng khác nhận được rất ít sự chú ý cần phải nhận được nhiều hơn: đó có thể là một tài sản của chính không gian trống được gây ra bởi sự hiện diện của những thứ khác - như vật chất đóng vai trò là ranh giới hiệu quả - trong Vũ trụ.

Và lý do điều này là có thể là bởi vì đây là một hiệu ứng mà chúng ta biết tồn tại: hiệu ứng Casimir.

Một minh họa về hiệu ứng Casimir và cách các lực (và trạng thái được phép / cấm của trường điện từ) ở bên ngoài các tấm khác với các lực ở bên trong. Tín dụng hình ảnh: Emok / Wikimedia Commons.

Lực điện từ của không gian trống là gì? Tất nhiên là không có gì. Không có phí, không có dòng điện và không có vấn đề ảnh hưởng, nó thực sự là số không; Đó không phải là một mẹo. Nhưng nếu bạn đặt hai tấm kim loại cách nhau một khoảng hữu hạn, rồi hỏi lực điện từ là gì, bạn sẽ thấy rằng nó không bằng không! Do thực tế là một số chế độ dao động chân không bị cấm do ranh giới của các tấm, chúng tôi không chỉ dự đoán mà còn đo một lực khác không giữa các tấm này, phát sinh từ không gì khác ngoài chính không gian trống. Hóa ra, tất cả các lực, bao gồm cả lực hấp dẫn, cũng thể hiện hiệu ứng Casimir.

Một bản đồ gồm hơn một triệu thiên hà trong Vũ trụ, trong đó mỗi điểm là thiên hà của riêng nó. Các màu sắc khác nhau đại diện cho khoảng cách, với màu đỏ đại diện xa hơn. Tín dụng hình ảnh: Daniel Eisenstein và sự hợp tác SDSS-III.

Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta áp dụng hiệu ứng này cho toàn bộ Vũ trụ và cố gắng tính toán hiệu ứng nên có là gì? Câu trả lời rất đơn giản: chúng ta có được thứ gì đó có dạng phù hợp với năng lượng tối, mặc dù - một lần nữa - độ lớn đều sai. Tuy nhiên, điều này hoàn toàn có thể là một chức năng của thực tế là chúng ta không biết các điều kiện biên của Vũ trụ trông như thế nào, hoặc làm thế nào để tính toán hiệu ứng hấp dẫn lượng tử này rất tốt. Nhưng đó là một khả năng đáng kinh ngạc, được nghiên cứu kỹ lưỡng có nhiều phát triển thú vị đang diễn ra trong thập kỷ qua.

Sự tái tạo 3D của 120.000 thiên hà và các thuộc tính phân cụm của chúng, được suy ra từ sự hình thành cấu trúc dịch chuyển đỏ và quy mô lớn của chúng. Tín dụng hình ảnh: Jeremy Tinker và sự hợp tác SDSS-III.

Lập bản đồ vũ trụ có thể trở thành phần dễ dàng. Có lẽ nó sẽ không phải là một bước đột phá quan sát hoặc thử nghiệm sẽ đưa chúng ta hiểu được năng lượng tối, lực lượng khó nắm bắt nhất trong Vũ trụ. Có lẽ đó là một lý thuyết cần thiết. Và có lẽ nó liên quan đến sự bất thường của dấu vết, có lẽ đó là một đại lượng động thay đổi theo thời gian, và có lẽ nó thậm chí còn là dấu hiệu của các chiều không gian thêm. Vũ trụ ở ngoài kia và gần đây chúng ta mới khám phá ra bí mật khó giải thích nhất này. Có lẽ giải pháp, nếu chúng ta cẩn thận, có thể nằm trong vật lý mà chúng ta đã biết.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.