Ciemna strona świata (cz.II)

Kontynuuję esej nt. brakującej materii w bilansie wszechświata, ciemnej energii i uniwersalnej stałej kosmologicznej. Oto druga z trzech jego części.

Gdy Einstein wymiękał, ideę stałej kosmologicznej podchwycili fizycy kwantowi, którzy na własną rękę rozpoczęli stawianie fizyki na głowie, co trwa nieprzerwanie do dziś. Teoria kwantowa powiada bowiem, że pozornie pusta próżnia w kosmosie wcale próżnią nie jest. Twierdzi, że przestrzeń taka jest gotującym się kłębowiskiem wirtualnych cząsteczek stale przeskakujących z istnienia w nieistnienie i z powrotem. Energia tych bezustannych przeskakiwań, czyli energia próżni jest stałą tj. stale obecną cechą przestrzeni kosmicznej, a więc właśnie stałą kosmiczną, w zasadzie zdolną do wywoływania ciągłej ekspansji wszechświata. Mogłoby to oznaczać, że energia próżni i ‘ciemna energia’ to jedno i to samo. Teoretycznie pojawia się więc nareszcie mile widziany porządek, ale w praktyce nowa trudność. Przy wstępnym, naiwnym podejściu do teorii kwantowej mówi ona, że energia próżni powinna być miażdżąco, wielokrotnie większa od założonej gęstości energii owej ciemnej energii i to w granicach – bagatela! – między 10 do sześćdziesiątej, a 10 do stu dwudziestej potęgi. Dla wielu fizyków jest to najgorsze z możliwych przewidywań jakie się kiedykolwiek przydarzyły nauce, właściwie kompromitacja. Od chwili pojawienia się tej różnicy, konieczność wyjaśnienia dlaczego energia próżni nie sięga oczekiwanych w tym przedziale granic stała się największym wyzwaniem fizyki.      

Cliff Burgess z kanadyjskiego Perimetere Institute for Theoretical Physics w Waterloo, Ontario jest autorem kilku spośród 5000 prac przez jakie przekopał się dr Perlmutter. Uważa on, że znalazł rozwiązanie. Energia próżni jest ogromna, ale niemal w całości ukryta w wymiarach pozaprzestrzennych. W odróżnieniu od trzech klasycznych wymiarów: długości, szerokości i wysokości, te dodatkowe pozaprzestrzenne wymiary są tak ściśle ze sobą poskręcane, że unikają wykrycia chociaż fizycy próbują wymusić ich krótkotrwałe pojawy w akceleratorach cząsteczek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów pod Genewą. Te dodatkowe wymiary są dlatego tak ciekawe, że teoria strunowa, klasa modeli matematycznych opartych na teorii kwantowej, która usiłuje opisać rzeczywistość w najbardziej podstawowy dla fizyki sposób, wymaga aby było ich przynajmniej sześć, a bardzo możliwe, że i więcej.

Propozycja Burgessa jest niezwykła przez to, że poszedł on na całość i założył, że te kryjące energię, pozwijane i pokrętne wymiary dodatkowe winny być rzędu kilku mikronów w przekroju, a więc  w skali teorii strunowej ogromne. Jeśli tak jest, to dlaczego nie dostrzegli ich dotąd producenci mikroprocesorów, wirusolodzy, chemicy molekularni, nanotechnolodzy i inni, którzy śledzą świat w wymiarach mikronowych? Ano dlatego, twierdzi Burgess, że podobnie jak ciemna materia, są one wyczulone tylko na grawitację, a stosunkowo obojętne na pozostałe trzy fundamentalne interakcje sił przyrody, czyli na elektromagnetyzm, oraz na słabe i mocne siły jądrowe. W pierwszej chwili takie wyjaśnienie brzmi jak tania wymówka, ale kryje się pod nim krzepki sens matematyczny, który umożliwia stawianie kolejnych tez. Np. taką, że przy skali mikronów przyciąganie dwóch mas nie zależy już od kwadratu odległości między nimi w tak klasyczny sposób, jak tego wymagała fizyka od czasów Newtona.    

Na Uniwersytecie Waszyngtońskim trwa właśnie eksperyment, który ma tej tezy dowieść albo ją obalić. Zespół Eryka Adelbergera testuje to założenie przy pomocy najczulszej na świecie wagi torsyjnej, czyli podrasowanej wersji precyzyjnego zestawu, jakiego angielski fizyk Henry Cavendish użył po raz pierwszy do bezpośredniego pomiaru grawitacji pod koniec XVIII wieku. Składa się z dwóch płytek, perforowanych dziurkami wzdłuż ich krawędzi, zawieszonych poziomo na strunie zaledwie kilka mikronów jedna nad drugą. Kiedy ta dolna zacznie się kręcić materia zawarta między jej dziurkami wywiera mikroskopijne przyciąganie grawitacyjne na materię pomiędzy dziurkami górnej płytki sprawiając, że ona także zaczyna się kręcić chociaż przesuwa się tylko o miliardowe części stopnia. Mierzenie tych różnic to ultra-precyzyjne zadanie, i jak na razie wygląda na to, że stary Newton jest górą. Dr Adelberger potwierdził, że przewidywania Newtona sprawdzają się z dokładnością do 44 mikronów. Ale doświadczenie trwa i Burgess nadal przyjmuje zakłady, że wraz z rosnącą dokładnością pomiaru, Newton wkrótce będzie musiał się poddać.

Jeżeli Burgess ma rację, to energia próżni i ciemna energia są tym samym, a stała kosmologiczna i ‘w’ są równe -1. No dobrze, ale jeśli Burgess się myli? Wówczas ciemna energia będzie czymś, co się zmienia w przestrzeni, albo w czasie, albo i w jednym i w drugim, a jej dzisiejsza bliskość wartości -1 to tylko przypadek. Czym jest zatem to COŚ ? Na razie pojawiło się multum propozycji nazw takich jak kwintesencja, energia fantomowa, k-esencja itp., zależnie od fantazji teoretyka i od tego, jakie zakłada dla niej właściwości. Byłaby to jednak niezwykła i nowa siła fundamentalna i to taka, której głowy trzeba by szukać aż na najdalszych krańcach kosmosu.   

Alternatywą dla tej koncepcji jest dalsze majsterkowanie na ślepo którąś z już znanych sił. Niektórzy fizycy woleliby dostroić do potrzeb starą teorię względności Einsteina, uznając na przykład, że grawitacja słabnie przy skrajnie wielkich odległościach. To ryzykowne zadanie do udowodnienia. Jakakolwiek modyfikacja równań ogólnej teorii względności jak dotąd zawsze rozwalała całą teorie nie do naprawienia. Z tego zresztą względu wciąż pozostaje ona takim wyzwaniem. Innym powodem tego, że teoria względności pozostaje tak atrakcyjna jest fakt, że stale się potwierdza w praktyce, zarówno przy precyzyjnych pomiarach ciał krążących w Układzie Słonecznym, aż po obserwacje najdalszych znanych źródeł światła, kwazarów, oddalonych od Ziemi o miliardy lat świetlnych. Każda nowa teoria musiałaby mozolnie wszystko to jeszcze raz pozbierać według nowej formuły, co oczywiście nie znaczy, że fizycy stale tego nie próbują. 

Im bardziej precyzyjnie ‘w’ przybliża się do wartości -1, tym większy entuzjazm rośnie po stronie teorii zakładających istnienie stałej kosmologicznej, a tym go mniej po stronie teorii piątych sił i zmodyfikowanej grawitacji, których urodą byłoby to, że dałyby się dostosować do innych wartości. I w tym miejscu pojawia się zadanie dla takich teleskopów jak ten na Cerro Tololo.  Dane zebrane dotąd z teleskopów, zarówno naziemnych jak i umieszczonych na statkach orbitalnych, sytuują wartość ‘w’ pomiędzy -1,1 a -0,9. Projekt DES stawia sobie za cel zawężenie marginesu niepewności do 0,01. W tym celu potrzebne będzie po 400 jedno-gigabitowych zdjęć na jedną noc, ale wykonywanych przez 525 nocy w ciągu pięciu lat (Pozostały czas użytkowania teleskopu i kamery został już rozdzielony na inne projekty badawcze). Dane zostaną poddane specjalnym technikom analitycznym.    

Pierwszą będzie stara metoda zapożyczona od Perlmuttera, Schmidta i Riessa z ich badań nad eksplodującymi gwiazdami, które w astronomii określa się jako supernovae. Występują one w kilku kategoriach. Niektóre, znane jako typ Ia, zawsze eksplodują niemal dokładnie z taką samą energią. Oznacza to, że są one wtedy jednakowo jasne. Ponieważ jasność ta maleje w przewidywalny sposób wraz z odległością , gwiazdy supernovae typu Ia stanowią znakomite miary kosmicznych odległości. Prędkość światła jest stała, a ponieważ z jasności gwiazdy widzianej z Ziemi można wyliczyć, jak bardzo jest od nas oddalona, wiemy też, jak dawno temu eksplodowała. Tempo, w jakim gwiazdy i galaktyki oddalają się od Ziemi da się z kolei wyliczyć z ich tzw. redshiftu. A cóż to takiego? Otóż, kiedy światło przebiega przez przestrzeń kosmiczną, która się przecież stale rozciąga, długość fal światła również się rozciąga,  a ich częstotliwość przesuwa się w stronę czerwonej krawędzi widma. To jest właśnie ów redshift, dosłownie ‘przesunięcie ku czerwieni’. Im szybsza jest ekspansja świata, tym większy jest redshift.  

To, co wykazały dwa fundamentalne badania z 1998 roku – Supernova Cosmology Project (Perlmuttera) i High-z Supernova Search (Schmidta i Riessa) – a co potwierdziły potem dalsze badania i obserwacje, to fakt, że dalekie eksplodujące gwiazdy są ciemniejsze, a zatem położone dalej, niżby wskazywał na to ich redshift, jeżeli świat miałby rozszerzać się w równym tempie. Oznacza to, że ekspansja ta musiała ostatnio ulec przyspieszeniu.

Oba zespoły badawcze wyciągnęły swe pierwotne wnioski po zbadaniu danych z zaledwie pięćdziesięciu kilku gwiazd supernovae. Od tego czasu ich liczba wzrosła prawie dziesięciokrotnie, ale nadal jest jeszcze wielki margines niepewności przy którym stała kosmologiczna może okazać się wcale nie taką stałą. Dr Joshua Frieman, który dowodzi projektem DES ma nadzieję, że jego zespół przeanalizuje w sumie ponad 4.000 gwiazd supernovae, w tym niektóre odległe aż o 7 miliardów lat świetlnych! Wybuchły one kiedy wszechświat miał dopiero połowę swego obecnego wieku, a zatem, jak uznają obecnie badacze, jeszcze dominowała siła grawitacji zawartej w nim materii, która skutecznie hamowała wtedy ekspansję na zewnątrz. Ciemna energia, jak się obecnie uważa, przeważyła i podkręciła tempo ekspansji jakieś 5 miliardów lat temu. Dokładniejsza ocena czasu, w którym materia ustąpiła ciemnej energii, pozwoli lepiej ocenić wartość stałej ‘w’. (cdn.) 

Bogusław Jeznach

Dodatek muzy

Słuchamy utworu Live from Heart w wykonaniu Sa Trincha