منذ أواخر عشرينيات القرن العشرين ، كان الفلكيون على دراية بحقيقة أن الكون في حالة توسع. تنبأ في البداية نظرية آينشتاين للنسبية العامة ، وقد استمر هذا الإدراك لإبلاغ النموذج الكوني الأكثر قبولًا - نظرية الانفجار الكبير. ومع ذلك ، أصبحت الأمور مربكة إلى حد ما خلال التسعينات ، عندما أظهرت الملاحظات المحسنة أن معدل تمدد الكون يتسارع منذ مليارات السنين.
أدى هذا إلى نظرية الطاقة المظلمة ، وهي قوة غامضة غير مرئية تقود توسع الكون. مثل الكثير من المادة المظلمة التي أوضحت "الكتلة المفقودة" ، أصبح من الضروري بعد ذلك العثور على هذه الطاقة المراوغة ، أو على الأقل توفير إطار نظري متماسك لها. تسعى دراسة جديدة من جامعة كولومبيا البريطانية (UBC) إلى القيام بذلك عن طريق افتراض أن الكون يتوسع بسبب التقلبات في المكان والزمان.
الدراسة - التي نشرت مؤخرا في المجلة المراجعة البدنية د - بقيادة Qingdi Wang ، طالب دكتوراه بقسم الفيزياء وعلم الفلك في UBC. تحت إشراف أستاذ UBC ويليام أونرو (الرجل الذي اقترح تأثير Unruh) وبمساعدة من Zhen Zhu (طالب دكتوراه آخر في UBC) ، يقدمون نظرة جديدة على الطاقة المظلمة.
بدأ الفريق بمعالجة التناقضات الناشئة عن النظريتين الرئيسيتين اللتين تفسران معًا جميع الظواهر الطبيعية في الكون. هذه النظريات ليست سوى النسبية العامة وميكانيكا الكم ، والتي تشرح بشكل فعال كيف يتصرف الكون على أكبر المقاييس (أي النجوم والمجرات والعناقيد) وأصغرها (الجسيمات دون الذرية).
لسوء الحظ ، لا تتسق هاتان النظريتان عندما يتعلق الأمر بمسألة صغيرة تعرف باسم الجاذبية ، والتي لا يزال العلماء غير قادرين على تفسيرها من حيث ميكانيكا الكم. إن وجود الطاقة المظلمة وتوسع الكون هما نقطة خلاف أخرى. بالنسبة للمبتدئين ، فإن نظريات المرشحين مثل طاقة الفراغ - والتي تعد واحدة من أكثر التفسيرات شيوعًا للطاقة المظلمة - تقدم تناقضات خطيرة.
وفقًا لميكانيكا الكم ، سيكون لطاقة الفراغ كثافة طاقة كبيرة بشكل لا يصدق. ولكن إذا كان هذا صحيحًا ، فإن النسبية العامة تتوقع أن هذه الطاقة سيكون لها تأثير جاذبية قوي بشكل لا يصدق ، وهو ما سيكون قويًا بما يكفي ليؤدي إلى انفجار الكون في الحجم. كما شارك الأستاذ Unruh مع مجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
المشكلة هي أن أي حساب ساذج لطاقة الفراغ يعطي قيمًا ضخمة. إذا افترضنا أن هناك نوعًا ما من القطع ، فلا يمكن للمرء الحصول على كثافة طاقة أكبر بكثير من كثافة طاقة بلانك (أو حوالي 1095 الجول / متر³) ثم يجد المرء أن المرء يحصل على ثابت هابل - المقياس الزمني الذي يتضاعف فيه حجم الكون تقريبًا - من ترتيب 10-44 ثانية لذا ، فإن النهج المعتاد هو أن نقول أن شيئًا ما يقلل ذلك إلى حد ما بحيث يحصل المرء على معدل التوسع الفعلي الذي يبلغ حوالي 10 مليار سنة بدلاً من ذلك. لكن هذا "بطريقة أو بأخرى" غامض إلى حد ما ولم يأت أحد بآلية نصف مقنعة ".
في حين سعى علماء آخرون إلى تعديل نظريات النسبية العامة وميكانيكا الكم من أجل حل هذه التناقضات ، سعى وانغ وزملاؤه إلى نهج مختلف. كما أوضح وانغ لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"الدراسات السابقة إما تحاول تعديل ميكانيكا الكم بطريقة ما لجعل طاقة الفراغ صغيرة أو تحاول تعديل النسبية العامة بطريقة ما لجعل الجاذبية خدرًا لطاقة الفراغ. ومع ذلك ، فإن ميكانيكا الكم والنسبية العامة هما أكثر نظريتين ناجحتين تفسران كيفية عمل كوننا ... بدلاً من محاولة تعديل ميكانيكا الكم أو النسبية العامة ، نعتقد أنه يجب علينا أولاً فهمها بشكل أفضل. نحن نأخذ كثافة طاقة الفراغ الكبيرة التي تنبأت بها ميكانيكا الكم على محمل الجد ونتركها تنجذب وفقًا للنسبية العامة دون تعديل أي منهما. "
من أجل دراستهم ، أجرى وانغ وزملاؤه مجموعات جديدة من الحسابات على طاقة الفراغ التي أخذت كثافة الطاقة العالية المتوقعة في الاعتبار. ثم درسوا إمكانية أنه على أصغر المقاييس - أصغر بمليارات المرات من الإلكترونات - يخضع نسيج الزمكان لتقلبات برية ، تتأرجح في كل نقطة بين التمدد والانكماش.
عندما يتأرجح ذهابًا وإيابًا ، فإن نتيجة هذه التذبذبات هي التأثير الصافي حيث يتوسع الكون ببطء ، ولكن بمعدل متسارع. بعد إجراء حساباتهم ، لاحظوا أن مثل هذا التفسير كان متسقًا مع وجود كثافة طاقة الفراغ الكمومي والنسبية العامة. علاوة على ذلك ، فإنه يتوافق أيضًا مع ما يلاحظه العلماء في كوننا لمدة قرن تقريبًا. كما وصفه Unruh:
"أظهرت حساباتنا أنه يمكن للمرء أن يعتبر باستمرار أن الكون على أصغر المقاييس يتوسع ويتقلص بسرعة كبيرة بشكل سخيف. ولكن ذلك على نطاق واسع ، بسبب المتوسط على تلك المقاييس الدقيقة ، لن تلاحظ الفيزياء أن "الرغوة الكمومية". له تأثير متبقي صغير في إعطاء ثابت كوني فعال (تأثير نوع الطاقة المظلمة). في بعض النواحي ، تشبه الأمواج على المحيط التي تسافر كما لو أن المحيط كان سلسًا تمامًا ولكننا نعلم حقًا أن هناك رقصة مدهشة من الذرات التي تتكون منها المياه ، وتتوسط الموجات فوق تلك التقلبات ، وتتصرف كما لو كان السطح سلسًا. "
على النقيض من النظريات المتضاربة للكون حيث لا يمكن حل القوى المختلفة التي تحكمه ويجب أن تلغي بعضها البعض ، يقدم وانغ وزملاؤه صورة حيث الكون يتحرك باستمرار. في هذا السيناريو ، فإن تأثيرات طاقة الفراغ هي في الواقع ذاتية الإلغاء ، وتؤدي أيضًا إلى التوسع والتسارع الذي كنا نلاحظه طوال هذا الوقت.
في حين أنه قد يكون من السابق لأوانه معرفة ذلك ، فإن هذه الصورة للكون ديناميكي للغاية (حتى على أصغر المقاييس) يمكن أن تحدث ثورة في فهمنا للزمكان. على الأقل ، من المؤكد أن هذه النتائج النظرية ستثير الجدل داخل المجتمع العلمي ، وكذلك التجارب المصممة لتقديم أدلة مباشرة. وهذا ، كما نعلم ، هو الطريقة الوحيدة التي يمكننا بها تعزيز فهمنا لهذا الشيء المعروف باسم الكون.
