พลังงานมืดและสสารมืดเป็นสิ่งประดิษฐ์ทางทฤษฎี เว็บตรงไม่ผ่านเอเย่นต์ ที่อธิบายการสังเกตที่เราไม่เข้าใจเป็นอย่างอื่น ในระดับของกาแลคซี่ แรงโน้มถ่วงดูเหมือนจะแข็งแกร่งกว่าที่เราจะอธิบายได้สำหรับการใช้เฉพาะอนุภาคที่สามารถเปล่งแสงได้ ดังนั้นเราจึงเพิ่มอนุภาคสสารมืดเป็น 25% ของพลังงานมวลของจักรวาล ไม่เคยตรวจพบอนุภาคดังกล่าวโดยตรง
ในสเกลที่ใหญ่กว่าซึ่งเอกภพกำลังขยายตัว แรงโน้มถ่วงดูเหมือนจะอ่อนแอกว่าที่คาดไว้ในจักรวาลที่มีแต่อนุภาคเท่านั้น ไม่ว่าจะเป็นสสารธรรมดาหรือสสารมืด ดังนั้นเราจึงเพิ่ม “พลังงานมืด”: แรงต้านแรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอซึ่งทำหน้าที่โดยไม่ขึ้นกับสสาร
ประวัติโดยย่อของ “พลังงานมืด”
แนวคิดเรื่องพลังงานมืดนั้นเก่าแก่พอๆ กับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้รวมเอาไว้เมื่อเขาใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพกับจักรวาลวิทยาเมื่อ 100 ปีที่แล้วเป็นครั้งแรก
ไอน์สไตน์เข้าใจผิดว่าต้องการสร้างสมดุลระหว่างแรงดึงดูดในตัวเองของสสารด้วยการต้านแรงโน้มถ่วงในระดับที่ใหญ่ที่สุด เขานึกภาพไม่ออกว่าจักรวาลมีจุดเริ่มต้นและไม่ต้องการให้เปลี่ยนแปลงตามเวลา
แทบไม่มีอะไรเป็นที่รู้จักเกี่ยวกับจักรวาลในปี 1917 แนวคิดที่ว่ากาแล็กซีเป็นวัตถุในระยะทางอันกว้างใหญ่กำลังถกเถียงกันอยู่
ไอน์สไตน์เผชิญกับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก แก่นแท้ทางกายภาพของทฤษฎีของเขาที่สรุปในทศวรรษต่อมาในการแนะนำหนังสือเรียนที่มีชื่อเสียงคือ:
สสารบอกอวกาศว่าโค้งอย่างไร และอวกาศบอกสสารว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร
นั่นหมายความว่าพื้นที่โดยธรรมชาติต้องการที่จะขยายหรือหดตัวโดยโค้งงอพร้อมกับเรื่อง มันไม่เคยหยุดนิ่ง
Albert Einstein รวมแนวคิดในการเพิ่มพลังงานมืดให้กับงานของเขา รอยเตอร์
สิ่งนี้เกิดขึ้นโดยAlexander Friedmannซึ่งในปี 1922 ได้เก็บส่วนผสมแบบเดียวกับ Einstein แต่เขาไม่ได้พยายามปรับสมดุลปริมาณของสสารและพลังงานมืด นั่นชี้ให้เห็นถึงแบบจำลองที่จักรวาลสามารถขยายหรือหดตัวได้
นอกจากนี้ การขยายตัวจะช้าลงเสมอหากมีเรื่องเท่านั้น แต่มันอาจเร็วขึ้นหากมีพลังงานมืดต้านแรงโน้มถ่วงรวมอยู่ด้วย
นับตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1990 การสังเกตการณ์อิสระจำนวนมากได้ดูเหมือนจะต้องการการขยายตัวอย่างรวดเร็วในจักรวาลที่มีพลังงานมืด 70% แต่ข้อสรุปนี้อิงจากการขยายตัวแบบเก่าที่ไม่เปลี่ยนแปลงตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1920
แบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน
สมการของไอน์สไตน์นั้นยากมาก และไม่ใช่เพียงเพราะมีมากกว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอแซก นิวตัน
น่าเสียดายที่ Einstein ทิ้งคำถามพื้นฐานที่ยังไม่ได้รับคำตอบไว้ สิ่งเหล่านี้รวมถึง – สเกลใดที่บอกช่องว่างว่าโค้งอย่างไร? วัตถุที่ใหญ่ที่สุดที่เคลื่อนที่เป็นอนุภาคในการตอบสนองคืออะไร? และภาพที่ถูกต้องในระดับอื่นคืออะไร?
ปัญหาเหล่านี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยง่ายด้วยการประมาณ 100 ปี ซึ่ง Einstein และ Friedmann นำเสนอ ซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วจักรวาลจะขยายตัวอย่างสม่ำเสมอ เหมือนกับว่าสามารถใส่โครงสร้างจักรวาลทั้งหมดผ่านเครื่องปั่นเพื่อทำซุปที่ไม่มีลักษณะเฉพาะได้
การประมาณการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันนี้ได้รับการพิสูจน์ในช่วงต้นของประวัติศาสตร์จักรวาล เราทราบจากพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาลซึ่งเป็นรังสีที่ระลึกของบิ๊กแบง การแปรผันของความหนาแน่นของสสารนั้นเล็กมากเมื่อเอกภพมีอายุน้อยกว่าหนึ่งล้านปี
แต่วันนี้จักรวาลไม่ เป็น เนื้อเดียวกัน ความไม่แน่นอนของแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดการเติบโตของดาว กาแล็กซี กระจุกดาราจักร และในที่สุด ” ใย จักรวาล ” อันกว้างใหญ่ ซึ่งครอบงำโดยปริมาตรด้วยช่องว่างที่ล้อมรอบด้วยแผ่นดาราจักรและเกลียวด้วยเส้นใยเล็ก ๆ
ในจักรวาลวิทยามาตรฐาน เราถือว่าพื้นหลังขยายตัวราวกับว่าไม่มีโครงสร้างจักรวาล จากนั้นเราทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้ทฤษฎีอายุ 330 ปีของนิวตันเท่านั้น สิ่งนี้สร้างโครงสร้างที่คล้ายกับเว็บคอสมิกที่สังเกตได้ในลักษณะที่น่าสนใจพอสมควร แต่ต้องใช้พลังงานมืดและสสารมืดเป็นส่วนผสม
แม้กระทั่งหลังจากคิดค้น 95% ของความหนาแน่นพลังงานของจักรวาลเพื่อให้สิ่งต่างๆ ทำงานได้ ตัวแบบเองก็ยังคงประสบปัญหาตั้งแต่ความตึงเครียดไปจนถึงความผิดปกติ
นอกจากนี้ จักรวาลวิทยามาตรฐานยังแก้ไขความโค้งของอวกาศให้มีความสม่ำเสมอในทุกที่ และแยกออกจากสสาร แต่นั่นขัดแย้งกับแนวคิดพื้นฐานของไอน์สไตน์ที่ว่าสสารบอกพื้นที่ว่าต้องโค้งอย่างไร
เราไม่ได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทั้งหมด! โมเดลมาตรฐานสรุปได้ดีกว่าดังนี้: ฟรีดมันน์บอกอวกาศว่าต้องโค้งอย่างไร และนิวตันบอกสสารว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร
ป้อน “ปฏิกิริยาย้อนกลับ”
ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 2000 นักจักรวาลวิทยาบางคนได้สำรวจแนวคิดที่ว่าในขณะที่สมการของไอน์สไตน์เชื่อมโยงสสารและความโค้งในเครื่องชั่งขนาดเล็กค่าเฉลี่ยขนาดใหญ่ของพวกมันอาจก่อให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับซึ่งเป็นการขยายตัวเฉลี่ยที่ไม่เท่ากันทุกประการ
การกระจายตัวของสสารและความโค้งเริ่มใกล้เคียงกันเมื่อเอกภพยังเด็ก แต่เมื่อใยจักรวาลปรากฏขึ้นและซับซ้อนมากขึ้น ความแปรผันของความโค้งขนาดเล็กก็ขยายใหญ่ขึ้นและการขยายตัวเฉลี่ยอาจแตกต่างจากจักรวาลวิทยามาตรฐาน
ผลตัวเลขล่าสุดของทีมในบูดาเปสต์และฮาวายที่อ้างว่าจ่ายพลังงานมืดโดยใช้การจำลองแบบมาตรฐานของนิวตัน แต่พวกเขาได้พัฒนาโค้ดไปข้างหน้าอย่างทันท่วงทีด้วยวิธีการที่ไม่ได้มาตรฐานเพื่อสร้างแบบจำลองเอฟเฟกต์ปฏิกิริยาย้อนกลับ
น่าแปลกที่กฎหมายการขยายผลที่ได้นั้นเหมาะสมกับข้อมูลดาวเทียมพลังค์ซึ่งติดตามอย่างใกล้ชิดกับแบบจำลองปฏิกิริยาตอบสนองตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอายุ 10 ปีที่รู้จักกันในนามจักรวาลวิทยา ไทม์สเค ป ดูเหมือนว่าเราต้องสอบเทียบนาฬิกาและไม้บรรทัดต่างกันเมื่อพิจารณาความโค้งระหว่างกาแล็กซีและช่องว่าง ประการหนึ่ง นี่หมายความว่าจักรวาลไม่มีอายุเดียวอีกต่อไป
ในทศวรรษหน้า การทดลองอย่างเช่นดาวเทียมยูคลิดและการทดลอง CODEXจะมีอำนาจทดสอบว่าการขยายตัวของจักรวาลเป็นไปตามกฎเอกพันธ์ของฟรีดมันน์ หรือแบบจำลองปฏิกิริยาย้อนกลับทางเลือก
ความประทับใจของศิลปินแสดงให้เห็นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากของยุโรป (E-ELT) ซึ่งใช้ CODEX เป็นเครื่องมือวัดแสงที่มีความเสถียรสูงและมีความละเอียดสูง ESO/ลิตร Calçada , CC BY-SA
เพื่อเป็นการเตรียมพร้อม เป็นสิ่งสำคัญที่เราจะต้องไม่ใส่ไข่ทั้งหมดลงในตะกร้าจักรวาลวิทยา ดังที่Avi Loeb หัวหน้าฝ่ายดาราศาสตร์ที่ Harvard ได้เตือนไว้ เมื่อเร็วๆ นี้ ในคำพูดของ Loeb:
เพื่อหลีกเลี่ยงความซบเซาและหล่อเลี้ยงวัฒนธรรมทางวิทยาศาสตร์ที่มีชีวิตชีวา ขอบเขตการวิจัยควรรักษาอย่างน้อยสองวิธีในการตีความข้อมูล เพื่อให้การทดลองใหม่มีเป้าหมายเพื่อเลือกวิธีที่ถูกต้อง การสนทนาที่ดีระหว่างมุมมองที่แตกต่างกันควรได้รับการส่งเสริมผ่านการประชุมที่อภิปรายประเด็นเชิงแนวคิดและไม่ใช่แค่ผลการทดลองและปรากฏการณ์วิทยาเท่านั้น ซึ่งมักจะเป็นกรณีในปัจจุบัน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสอนอะไรเราได้บ้าง
ในขณะที่นักวิจัยส่วนใหญ่ยอมรับว่าผลกระทบจากปฏิกิริยาย้อนกลับมีอยู่ การถกเถียงที่แท้จริงก็คือว่าสิ่งนี้สามารถนำไปสู่ความแตกต่างมากกว่า 1% หรือ 2% จากงบประมาณมวล-พลังงานของจักรวาลวิทยามาตรฐานหรือไม่
วิธีแก้ปัญหาปฏิกิริยาย้อนกลับใดๆ ที่ขจัดพลังงานมืดต้องอธิบายว่าทำไมกฎการขยายตัวเฉลี่ยจึงปรากฏเป็นเอกภาพทั้งๆ ที่ใยคอสมิกมีความไม่เท่ากัน บางสิ่งที่จักรวาลวิทยามาตรฐานสันนิษฐานโดยไม่มีคำอธิบาย
เนื่องจากโดยหลักการแล้วสมการของไอน์สไตน์สามารถขยายพื้นที่ด้วยวิธีที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง หลักการทำให้เข้าใจง่ายบางอย่างจึงจำเป็นสำหรับค่าเฉลี่ยขนาดใหญ่ นี่คือแนวทางของจักรวาลวิทยาไทม์สเคป
หลักการที่ทำให้เข้าใจง่ายสำหรับค่าเฉลี่ยจักรวาลวิทยามีแนวโน้มที่จะมีต้นกำเนิดในเอกภพยุคแรก ๆ เพราะมันง่ายกว่าจักรวาลในปัจจุบันมาก ในช่วง 38 ปีที่ผ่านมา มีการใช้ แบบจำลองจักรวาลแบบพองตัวเพื่ออธิบายความเรียบง่ายของเอกภพยุคแรก
แม้ว่าจะประสบความสำเร็จในบางแง่มุม แต่ปัจจุบันข้อมูลดาวเทียมของพลังค์ไม่ได้ตัดรูปแบบเงินเฟ้อจำนวนมากออกไป ผู้รอดชีวิตจะให้คำแนะนำที่ยั่วเย้าถึงหลักการทางกายภาพที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
นักฟิสิกส์หลายคนยังคงมองว่าจักรวาลเป็นคอนตินิวอัมคงที่ซึ่งเกิดขึ้นโดยอิสระจากสสารที่อยู่ในนั้น แต่ด้วยจิตวิญญาณของสัมพัทธภาพ – ที่ว่างและเวลานั้นมีความหมายเมื่อสัมพันธ์กันเท่านั้น – เราอาจต้องคิดใหม่แนวคิดพื้นฐาน
เนื่องจากตัวเวลาเองถูกวัดโดยอนุภาคที่มีมวลพักไม่เป็นศูนย์เท่านั้น บางทีกาลอวกาศก็อาจปรากฏขึ้นเมื่ออนุภาคมวลสูงก้อนแรกควบแน่นเท่านั้น
ไม่ว่าทฤษฎีสุดท้ายจะเป็นอย่างไร มันอาจจะรวบรวมนวัตกรรมที่สำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นั่นคือการมีเพศสัมพันธ์ของสสารและเรขาคณิตที่ระดับควอนตัม
เรียงความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ของเรา: ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคืออะไร? สำรวจแนวคิดเหล่านี้ต่อไป
