Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 16

Artykuły

Niewidzialna ręka wszechświata: Ciemna energia

21st Gru '14

Wszystko co jesteśmy w stanie zobaczyć – miliony galaktyk wypełnione miliardami gwiazd, piękne mgławice, niezliczone układy planetarne, potężne supernowe i błyski gamma – stanowią mniej niż pięć procent składu wszechświata. W wielkiej kosmicznej zupie, cała znana nam materia to jedynie drobna kostka rosołowa rozpuszczona we wszechobecnej energii próżni.

Samokrytyczny Einstein

Dzieje ciemnej energii sięgają bardzo głęboko, niemal tak daleko jak zamysł samej ogólnej teorii względ­ności i początki współ­cze­snej kosmo­logii. Gdy nie­spełna czter­dzie­sto­letni Albert Einstein zre­de­fi­niował pojęcia czasu, prze­strzeni oraz gra­wi­tacji, jak przy­stało na geniusza, niemal od razu zro­zu­miał dale­ko­siężne kon­se­kwencje swojej pro­po­zycji. Ukuty przez niego wzór w rewe­la­cyjny sposób opisywał zakrzy­wianie pola gra­wi­ta­cyj­nego, uzu­peł­niając luki, z którymi nie poradził sobie sam Sir Izaak Newton. O to chodziło, właśnie to przy­niosło młodemu uczonemu nie­śmier­telną sławę. Jednak w rok od opu­bli­ko­wania ogólnej teorii względ­ności Einstein pojął, że jego równanie nie tłumaczy jednej drob­nostki… Widocznej struk­tury wszech­świata!

Wbrew pozorom fizyk z nie­chęcią pod­cho­dził do wywro­to­wych kon­cepcji i wolał widzieć rze­czy­wi­stość w sposób prosty i upo­rząd­ko­wany. Dlatego też, w roku 1917 nie poddawał on pod wąt­pli­wość kla­sycznej wizji sta­tycz­nego i nie­zmien­nego w czasie wszech­świata. Ówcześni nie mieli jeszcze żadnego powodu aby sądzić, iż kosmos na poziomie galaktyk, gromad i samej prze­strzeni może być dyna­miczny. Bystry Einstein biorąc w rachubę dane obser­wa­cyjne i zwe­ry­fi­ko­wane już równanie pola gra­wi­ta­cyj­nego, stwier­dził wszem i wobec: wszech­świat nie działa! W każdym razie, nie w wersji sta­tycznej. Będąc pewnym dwóch rzeczy – popraw­ności własnej teorii oraz kosmicznej sta­tycz­ności – uczony podjął męską decyzję. Dodał do swojego równania człon, który godził obli­czenia z jedyną słuszną wizją wszech­świata. Nie miał on wówczas zie­lo­nego pojęcia czym jego wyna­lazek, nazwany stałą kosmo­lo­giczną, w ogóle miałby być oraz jakie jest jego źródło. Wiedział jedynie, że jeśli wszech­świat ma się nie zawalić pod własnym ciężarem, potrzebna jest jakaś siła odśrod­kowa walcząca z gra­wi­tacją, sym­bo­li­zo­wana właśnie przez dodat­kową stałą.

Jakież musiało być roz­cza­ro­wanie Ein­steina, gdy nieco ponad dekadę później pewien młody badacz z Kali­fornii uczynił całe te roz­wa­żania bez­u­ży­tecz­nymi. Każdy amator astro­nomii słyszał o Edwinie Hubble’u, który korzy­stając ze słynnego tele­skopu Mount Wilson, zaob­ser­wował wzajemną ucieczkę galaktyk, a co za tym idzie doku­men­tując proces roz­sze­rzania wszech­świata. Skoro prze­strzeń rośnie, nie może być sta­cjo­narna. Kon­kluzja płynąca z odkrycia sta­no­wiła dla Ein­steina szczę­ście w nie­szczę­ściu. Postu­laty ogólnej teorii względ­ności nie wymagały żadnych poprawek (hura!), ale poprzez upo­rczywe wpy­chanie do równań wziętej z sufitu stałej, Einstein nieomal zrobił z siebie idiotę. Nic dziwnego, że do końca życia nazywał ten koncept swoją naj­większą pomyłką.

Szkoda, że nauko­wiec nie dożył dnia, w którym jego życiowy „błąd” został odkopany i z powrotem usadzony na pie­de­stale.

Wszechświat jest płaski

Zanim przej­dziemy do naj­waż­niej­szej części artykułu muszę, choćby bardzo prze­kro­jowo, naszki­cować problem kształtu wszech­świata (co nieco na ten temat: klik!). Dla osoby nie sie­dzącej na co dzień z nosem w książ­kach o kosmo­logii, zagad­nienie to ma prawo brzmieć wręcz wariacko. Jak w ogóle można myśleć o jakimś kształcie prze­strzeni kosmicznej? Jeśli pamię­tacie podstawy idei Ein­steina, na pewno koja­rzycie łopa­to­lo­giczne porów­nanie cza­so­prze­strzeni do płótna, znie­kształ­ca­nego przez poło­żenie na nim ciał posia­da­ją­cych masę. Mniej więcej tę wizję opisywał wzór pola gra­wi­ta­cyj­nego, o którym wspo­mniałem wcze­śniej. Ojciec kosmo­logii, Alek­sander Friedman roz­cią­gnął ele­gancką metaforę na całość wszech­świata. Wiedząc o izo­tro­po­wości wszech­świata, czyli jego ogólnej jed­no­rod­ności (rozkład galaktyk w każdym kierunku pre­zen­tuje się podobnie) oraz wyko­rzy­stując ein­ste­inowski wzór, rosyjski fizyk opra­cował trzy geo­me­tryczne modele.

Wyobraźcie sobie ogromne, roz­cią­gnięte prze­ście­radło, będące dwu­wy­mia­rowym odpo­wied­ni­kiem kosmosu. Możemy na jego powierzchnie wrzucać różnej wiel­kości piłki i kule, obser­wując jak te mniejsze wpadają w zagłę­bienia utwo­rzone przez większe. Friedman zauważył, że ilość i gęstość obecnej masy zde­ter­mi­nuje kształt całego prze­ście­radła. Zależnie od sce­na­riusza tkanina mogła się na końcach zwężać, pozo­stawać prosta, lub ulegać coraz więk­szemu roz­sze­rzeniu. Gwoli ści­słości: to oczy­wi­ście bardzo nie­do­sko­nała metafora, jednak oddaje temat w naj­prostszy do wyobra­żenia sposób. W rze­czy­wi­stości mamy do czy­nienia z prze­strzenią trój­wy­mia­rową, a na jej kształt wskazują nam pro­mienie świetlne. We wszech­świecie zamkniętym, hiper­s­fe­rycznym, rów­no­legle wypusz­czone wiązki fotonów w końcu się spotkają, w płaskim mogą frunąć bez końca nigdy na siebie nie wpadając, nato­miast w otwartym, hiper­bo­lo­idalnym z biegiem czasu zaczną od siebie uciekać.
To właśnie trzy modele Fried­mana, ozna­czane dzisiaj symbolem Ω. Zależnie od omegi, geo­me­tria wszech­świata ma krzy­wiznę dodatnią, zerową lub ujemną. Skutki są oczy­wiste i raczej nie napawają opty­mi­zmem. Wszech­świat w dalekiej przy­szłości albo zacznie się na powrót kurczyć się pod wpływem gra­wi­tacji, albo będzie rósł bez końca – powoli bądź nie­bez­piecznie szybko.

I ciągle przyśpiesza!

Nie przy­wo­ły­wałem tych trzech modeli przy­pad­kiem. Rosyjski nauko­wiec już w latach 20., niemal bez­błędnie wyar­ty­ku­łował pod­sta­wowy i nie­zmienny do dnia dzi­siej­szego problem trapiący kosmo­logów. Co jeszcze god­niejsze podziwu, wziął pod uwagę moż­li­wość rozrostu lub kolapsu prze­strzeni jeszcze przed odkry­ciem Hubble’a! Na dobrą sprawę, spór o wartość omegi i kształt uni­wersum nadal nie znalazł osta­tecz­nego roz­wią­zania, choć gros kosmo­logów wyłoniła już swego faworyta. Jest nim wszech­świat płaski, o Ω = 0. Jak pisze jego zwo­lennik, Lawrence Krauss: „Wszech­świat w istocie musi być płaski”! Po pierwsze dlatego, że współgra to z popu­larną kon­cepcją inflacji kosmo­lo­gicznej Alana Gutha, a po drugie bo na to wskazują obser­wacje mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wania tła (patrz: eks­pe­ry­ment BOOMERANG). 

Wykres z nanie­sio­nymi super­no­wymi, obser­wo­wa­nymi przez ekipę Per­l­mut­tera.

Dla nas naj­waż­niejsze jednak, że niemal na pewno wyeli­mi­no­wano model wszech­świata zamknię­tego, który niczym pusz­czony balon zacząłby kurczyć się, dążąc do kolapsu. Dowodem koronnym w tym śledz­twie pozo­stają nie­za­leżne od siebie, pro­wa­dzone w latach 90. obser­wacje ekip Saula Per­l­mut­tera oraz Briana Schmidta. Przez kilka lat polowali oni na super­nowe typu Ia wystę­pu­jące w odle­głych galak­ty­kach, kon­se­kwentnie nanosząc dane na wykresy. Na tego typu eks­plo­zjach gwiazd można polegać: prze­bie­gają w podobny sposób, na zbli­żonym etapie życia gwiazdy i świecą z podobną jasno­ścią, dzięki czemu łatwo osza­cować ich odle­głość i wyko­rzy­stać je jako tzw. świece stan­dar­dowe. Pomiar kil­ku­dzie­sięciu takich punktów pozwolił na osza­co­wanie jak bardzo roz­sze­rzył się wszech­świat od chwili wiel­kiego wybuchu. Jednak naj­waż­niej­szym osią­gnię­ciem obu zespołów było usta­lenie, że wszech­świat z całą pew­no­ścią się nie kurczy, ani nie zwalnia tempa eks­pansji. On przy­śpiesza!

Z pyszna miał się sam Per­l­mutter, który jeszcze przed odkry­ciem gotów był założyć się z Kraussem, że wszech­świat już nie rośnie i nie ma szans na funk­cjo­no­wanie modelu pła­skiego wszech­świata (łzy ocierał nagrodą Nobla odebraną w 2011 roku). 

Okładka magazynu „Science” z grudnia 1998.

Po opu­bli­ko­waniu pierw­szych wyników, pre­sti­żowy magazyn Science umieścił na okładce zszo­ko­waną kary­ka­turę Ein­steina. Zasko­czenie nie wynikało bynajm­niej z tego, że udo­wod­niono ciągłą i wzra­sta­jącą eks­pansję wszech­świata – to upodlony przez odkrycie Hubble’a geniusz mógłby prze­łknąć. Obser­wacje dopro­wa­dziły jednak do dru­zgo­cą­cego wniosku, przez który Einstein nie­wąt­pliwie mógłby prze­wrócić się w grobie. Oto bowiem, dla wyja­śnienia zjawiska przy­śpie­sza­ją­cego wzrostu prze­strzeni, konieczne było wpro­wa­dzenie na powrót naj­więk­szej pomyłki Ein­steina… stałej kosmo­lo­gicznej.

Główny podejrzany: energia próżni

Przed 1998 rokiem więk­szość fizyków obsta­wiała, że wszech­świat jest zamknięty, a jego eks­pansja powinna zwalniać. Tak po prostu byłoby po drodze z ogólną teorią względ­ności. Jabłko pod­rzu­cone do góry musi spaść na ziemię, a wszech­świat wypeł­niony materią po miliar­dach lat wzrostu powinien w końcu roz­po­cząć zapa­danie. Usta­lenie pręd­kości rozrostu prze­strzeni wraz z innymi danymi, naka­zy­wało wziąć pod uwagę ist­nienie jakiejś siły dzia­ła­jącej w opozycji do gra­wi­tacji. W praktyce idea ta nie różniła się wiele od ein­ste­inow­skiej stałej kosmo­lo­gicznej, ale naukowcy woleli posłu­giwać się bardziej mrocznym terminem ciemnej energii.

Jak łatwo zauważyć pojęcie to jawnie kore­spon­duje z nie mniej tajem­niczą ciemną materią. Ciemna energia ma jednak istotną przewagę: istnieje poważny i znany kandydat na jej źródło. Tym bez­kre­snym rezer­wu­arem ogromnej ilości energii miałaby być sama prze­strzeń.

Aby przyjąć tę infor­mację do wia­do­mości niestety na chwilę musicie wcielić się w aspo­łecz­nego nerda w kra­cia­stej koszuli, z wielkimi bino­klami na nosie; czy prościej mówiąc, w fizyka zaj­mu­ją­cego się mecha­niką kwantową. W tym momencie jest dla was jasne, że świat w mikro­skali nie wygląda tak jak widzimy go na co dzień. Zasada nie­ozna­czo­ności Heisen­berga zabrania doko­ny­wania pomiarów z dowolną dokład­no­ścią, a pusta z pozoru próżnia tak naprawdę tętni własnym życiem. Choć­by­ście wyssali z pojem­nika całe powie­trze i zabez­pie­czyli go przed bom­bar­do­wa­niem pro­mie­nio­wania kosmicz­nego, z fizycz­nego punktu widzenia nadal nie będzie on całkiem pusty. 

Zgodnie z mecha­niką kwantową z abso­lutnej nicości mogą wyłaniać się cząstki, tylko po to aby po chwili zniknąć. Nazywamy je cząst­kami wir­tu­al­nymi, ponieważ aby nie zakłócać pod­sta­wo­wych praw fizyki (np. prawo zacho­wania ładunku) wystę­pują w parach niemal natych­miast ani­hi­lując bez śladu. Jeśli sądzicie, że uczeni dali ponieść się wyobraźni aby sobie pomóc z pro­blemem ciemnej energii, zauważcie, iż pojęcie cząstek wir­tu­al­nych powstało znacznie wcze­śniej i zostało w wie­lo­raki sposób zwe­ry­fi­ko­wane. Dopiero ich uwzględ­nienie pozwo­liło na idealne opisanie inte­rakcji cząstek wewnątrz atomów i zasto­so­wanie równania Diraca. Dowodem koronnym nato­miast wydaje się doświad­czenie dokonane przez Hendrika Casimira. Holen­derski nauko­wiec usta­wiając naprzeciw siebie dwie płytki, pokazał jak ciśnienie wywie­rane przez cząstki wir­tu­alne powoduje ich wzajemne zbli­żanie.  
W życiu codziennym energia próżni nie odgrywa żadnej roli (zresztą podobnie jak inne kwan­to­wo­me­cha­niczne zjawiska) toteż nie zaprzą­tamy sobie nią głowy. Jeśli jednak kosmo­lo­gowie mają rację, jej wpływ na ewolucję kosmosu jest abso­lutnie kluczowy. Podczas gdy ciemnej materii jest jakieś pięć razy więcej niż tej, która buduje gwiazdy, planety i nasze ciała, ciemna energia stanowi prawie pięt­na­sto­krotnie istot­niejszy składnik wszech­świata. Pamię­tając o wymie­nial­ności masy na energię możemy posunąć się do nastę­pu­ją­cych sza­cunków: ciemna energia stanowi ~72%, ciemna materia ~23%, nato­miast materia widzialna ~5% bilansu masy/energii wszech­świata.

Na koniec problem, przez który temat nie został i pewnie długo nie zostanie zamknięty. Według obecnego stanu wiedzy energia próżni jest… zbyt duża. Nie o kilka procent, lecz nawet o 10^100 w porów­naniu do tego co widzimy na niebie. Oznacza to tyle, że w naj­lep­szym przy­padku nasze ciała, Słońce i Ziemia powinny ulec natych­mia­sto­wemu roz­darciu. Skoro jednak byliście zdolni prze­czytać ten tekst, pewnie poła­pa­li­ście się już, że gdzieś popeł­niono „malutki” błąd.

Obecnie więc naj­większą zagadką kosmo­logii nie jest zna­le­zienie ciemnej energii, a raczej odna­le­zienie sposobu na jej zni­we­lo­wanie.
Literatura uzupełniająca
M. Kaku, Kosmos Einsteina. Jak wizja wielkiego fizyka zmieniła nasze rozumienie czasu i przestrzeni, przeł. J. Popowski, Warszawa 2012;
M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985;
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014.
podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • stały czy­telnik

    Dziękuje za dzie­lenie się wiedzą. Mała lite­rówka w „Dopiero ich uwzględ­nieni”. Pozdra­wiam ser­decznie i czekam na nastepne wpisy.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • asd

      i jeszcze jedna „choć gros kosmo­logów”

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        asd, o co chodzi?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • K

    Genialne! Chcę więcej i więcej. Potra­fisz zain­te­re­sować czy­tel­nika. Bardzo sobie to cenie w twoich arty­ku­łach. Kosmos jest nie­sa­mo­wity, zresztą fizyka też. Mam nadzieję, że nie zabraknie Ci inspi­racji do fascy­no­wania innych tymi nie­zwykle skom­pli­ko­wa­nymi zja­wi­skami, o których niestety więk­szość nie ma pojęcia. Pozdra­wiam!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Adamsky

    Prze­pra­szam, ale chcę się upewnić – ciemną energią sta­no­wiąca ok.72% „wszech­świata” jest energia próżni? Myślałem że to coś zupełnie innego,a energia próżni jest raczej dosyć mała.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • lobo84

    znaczy się jeśli patrząc jako laik i rozu­mując jako laik wyobrażam sobie kosmos jako płaska tafle wody omega równe 0 przy czym patrząc oczyma i widząc obraz 3 d można sobie wyobrazić ziemie jako kule która (w)pada na tą taflę gdzie: A powoduje powstanie fali i zarazem zagłę­bianie się przez roz­cią­gli­wość tafli *do pewnego lub nie­skoń­czo­nego odnie­sienia. **będąc na powierzchni kuli widzimy ogrom tylko 2d przez co obraz w powięk­szeniu może nam się zakrzywić do omega mniejsza od 1 , zarazem zamy­kając nam moż­li­wość obser­wacji w 3 d, B powoduje powstanie fali i zarazem za©łebianie się przez roz­cią­gli­wość tafli do pewnego lub nie skoń­czo­nego odnie­sienia **powoduje że omega jest większa od 1„zarazem zamy­kając nam moż­li­wość obser­wacji w 3 d. Jeśli zakła­damy że wszech­świat przy­śpiesza to również mogę założyć że zwalnia poprzez rozciąganie(rozszerzając się we wszyst­kich kie­run­kach). czyli coś co jest teraz było i będzie zależy od punktu widzenia…. studiuje dalej dzięki i życzę dalszej pracy, każdy ma swoją filo­zofię a dzięki trans­misji łączymy się w grupy!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • FILIP

      kar­dy­nalnym błędem jest wyobra­żanie sobie kosmosu jako czegoś pła­skiego, to trochę jakbyś wyobrażał sobie ziemię płaską jak tafla wody. tyle energii stracone, a punkt wyjścia zły

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • herq

    Hej, czego jest ten wykres kołowy, energii czy materii?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Obu (czyt. tekst).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • wodorost

    Ostatnio natra­fiłam na ciekawe podej­ście do tego zjawiska. Przy­spie­szona eks­pansja prze­strzeni jest inter­pre­tacją wyni­ka­jącą z zaob­ser­wo­wania mniej­szej jasności super­no­wych niż prze­wi­dy­wano. Ten wniosek powstał przy zało­żeniu, że wszech­świat spełnia zasadę kosmo­lo­giczną ( jest jed­no­rodny i izo­tro­powy). Przy zało­żeniu że zasada ta nie jest speł­niona, istnieje moż­li­wość wyja­śnienia różnic jasności bez odwo­ły­wania się do roz­sze­rzania prze­strzeni i tym samym ciemnej energii. A i (bardzo możliwe że sie mylę) parametr gęstości w przy­padku pła­skiego wszech­świata wynosi 1 (?)
    ps. nie chcę trafić do Januszy nauki :c laikowi łatwo zamydlić oczy 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • janusz

      Bardzo, ale to bardzo ładnie proszę o nie­obra­żanie nikogo, celem przy­po­do­bania się…nie wiadomo komu.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • wodorost

        chyba nie rozumiem?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • outo­fthebox

    Dlaczego wszech­świat nie może być kulą (w trzech wymia­rach) o takim samym modelu posze­rzania się z przy­śpie­sze­niem jak model „otwarty” opisany tutaj, ale w 2d. Ciężkie obiekty wewnątrz kuli jak SBH, nie prowadzą do zapad­nięcia się do wewnątrz, ponieważ nasza kula roz­szerza się z przy­śpie­sze­niem, odśrod­kowo a energia za pomocą której się roz­szerza to być może ciemna energia. Być może ciemna materia w tej kon­cepcji jest jak „jądro” „kuli”, która emituję ową energię za pomocą której „kula” roz­szerza się ? Chętnie pody­sku­tuję. xoba83@gmail.com

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Michal Mierzwa

    Dlaczego wszech­świat nie świeci? Jeśli w próżni nie­ustannie z niczego powstają pary cząstek, które ze sobą ani­hi­lują, to w wyniku ani­hi­lacji powstaje energia, tak? Jeśli tak to tej energii powinno przy­bywać. Czegoś chyba nie rozumiem…

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Nie w tym przy­padku. Gdyby wszech­świat tak działał, to zasadę zacho­wania energii kolo­kwialnie szlag by trafił. Cząstki wir­tu­alne istnieją wyłącznie dzięki nie­ozna­czo­ności Heisen­berga i próba wychwy­cenia ich energii musia­łaby skut­kować oddaniem innej energii, tak jak ma to miejsce np. w przy­padku pro­mie­nio­wania Hawkinga.

      Niemniej, to wciąż słabo znany temat – jeden z naj­bar­dziej tajem­ni­czych – i jesteśmy bardzo daleko od pełnego poznania natury próżni.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Michal Mierzwa

        W moim przy­padku zarówno nauka i wiara, to kwestia wiary, gdyż nie mogę potwier­dzić, zaprze­czyć – udo­wodnić. Mogę tylko powo­ływać się na auto­ry­tety. Pewnie czegoś znowu nie zro­zu­miałem. W swoim wykła­dzie prof. Meissner w pewnym momencie tłumaczy, że w skali wszech­świata nie ma zacho­wania energii. https://www.youtube.com/watch?v=pRns6gwfaFA (od ok. 22 minuty). Druga rzecz, to skoro znikają bez śladu, to ten mecha­nizm ani­hi­lacji jest jakiś inny?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0