Η σκοτεινή ενέργεια και η ενέργεια φάντασμα

Άρθρο, Οκτώβριος 2008

Η απλούστερη εξήγηση που δίνεται για τη σκοτεινή ενέργεια είναι ότι απλώς οφείλεται σε μια εγγενή, θεμελιώδη ιδιότητα του χώρου. Αυτή είναι και η ιδέα της κοσμολογικής σταθεράς Λ. Επειδή η ενέργεια και η μάζα σχετίζονται με τον τύπο Ε = mc², η θεωρία της γενικής σχετικότητας προβλέπει ότι θα έχει μια βαρυτική επίδραση. Καμιά φορά λέγεται και ενέργεια του κενού, διότι είναι η ενεργειακή πυκνότητα του άδειου κενού. Πράγματι, οι περισσότερες θεωρίες της σωματιδιακής φυσικής προβλέπουν διακυμάνσεις του κενού, που δίνουν έτσι στο κενό αυτό ακριβώς το είδος της ενέργειας. Ας σημειωθεί ότι η ενέργεια του κενού σχετίζεται με το φαινόμενο Casimir, στο οποίο υπάρχει μια μικρή έλξη μεταξύ δύο μικροσκοπικών πλακών που βρίσκονται πολύ κοντά η μία με την άλλη, λόγω της εμφάνισης εικονικών σωματιδίων. Η κοσμολογική σταθερά Λ εκτιμάται από τους κοσμολόγους πως είναι της τάξης των 10^-29 g/cm ³, ή περίπου 10^-120 μονάδες Planck. Στον αντίποδα η σωματιδιακή φυσική προβλέπει μια τεράστια τιμή δηλαδή 1 σε μονάδες Planck, πολύ διαφορετική από αυτή που προβλέπει η κοσμολογία.

Η κοσμολογική σταθερά Λ έχει αρνητική πίεση P (με φορά αντίθετη από την κανονική) ίση με την ενεργειακή πυκνότητα της και γι αυτό επομένως  προκαλεί την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Ο λόγος για τον οποίο η κοσμολογική σταθερά έχει αρνητική πίεση μπορεί να εξηγηθεί από την κλασική θερμοδυναμική. Ξέρουμε από τη θερμοδυναμική των αερίων ότι η ενέργεια μέσα σε ένα δοχείο με αέριο μειώνεται ισόποσα αν παραχθεί κάποιο έργο από το αέριο W=PdV, όπου p είναι η πίεση και dV η μεταβολή του όγκου. Όμως, το ποσό της ενέργειας μέσα σε ένα δοχείο κενού στην πραγματικότητα αυξάνει, γιατί αυξάνει ο όγκος κατά dV, και η ενέργεια του κενού είναι ίση με ρV, όπου ρ είναι η ενεργειακή πυκνότητα της κοσμολογικής σταθεράς. Ως εκ τούτου, η πίεση P είναι αρνητική P =-ρ.

Η κοσμολογική σταθερά Λ στις διάσημες εξισώσεις του Einstein της γενικής σχετικότητας αντιστοιχεί στην ενέργεια και την πίεση του συμπαντικού κβαντικού κενού, και είναι σταθερή στο χώρο και το χρόνο. Εδώ η τιμή της ενεργειακής πυκνότητας της σκοτεινής ενέργειας w είναι -1.

Όμως σε ένα δεύτερο δημοφιλές μοντέλο, το μοντέλο της πεμπτουσίας (quintessence), η σκοτεινή ενέργεια συνδέεται με ένα συμπαντικό κβαντικό πεδίο που μεταβάλλεται αργά προς κάποια τελική κατάσταση. Εδώ η ενεργειακή πυκνότητα και η πίεση της σκοτεινής ενέργειας μειώνονται αργά με το χρόνο, και η τιμή του w είναι κάπου μεταξύ του 1/3 και -1 (το w πρέπει να είναι μικρότερο από το 1/3 για να εμφανίζεται η κοσμική επιτάχυνση).

Στο μοντέλο της πεμπτουσίας η παρατηρηθείσα επιτάχυνση προκαλείται από την δυναμική ενέργεια ενός δυναμικού πεδίου, που αναφέρεται ως πεδίο πεμπτουσία. Η πεμπτουσία διαφέρει από την κοσμολογική σταθερά ως προς το ότι μπορεί να μεταβάλλεται στον χώρο και τον χρόνο. Για να μην συγκεντρώνεται και σχηματίζει δομές όπως η ύλη, το πεδίο αυτό πρέπει να είναι πολύ ελαφρύ, ώστε να έχει μεγάλο μήκος κύματος Compton.

Δεν υπάρχουν όμως διαθέσιμα αποδεικτικά στοιχεία για την πεμπτουσία, αλλά δεν έχει αποκλειστεί τελείως να υπάρχει. Σε γενικές γραμμές προβλέπει μια ελαφρώς πιο αργή επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος από όσο η κοσμολογική σταθερά. Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι η καλύτερη απόδειξη για την πεμπτουσία θα προέλθει από τις παραβιάσεις της Αρχής της Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν και την  μεταβολή των θεμελιωδών σταθερών στο χώρο ή το χρόνο. Βαθμωτά πεδία προβλέπονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο και τη θεωρία χορδών, αλλά εμφανίζεται ένα ανάλογο πρόβλημα όπως και με την κοσμολογική σταθερά (ή το πρόβλημα της κατασκευής μοντέλων του κοσμικού πληθωρισμού): η θεωρία επανακανονικοποίησης προβλέπει ότι βαθμωτά πεδία θα πρέπει να αποκτούν μεγάλες μάζες.

Ορισμένες ειδικές περιπτώσεις της πεμπτουσίας είναι: η ενέργεια φάντασμα, όπου η ενεργειακή πυκνότητα της πεμπτουσίας στην πράξη αυξάνει με την πάροδο του χρόνου, καθώς και η κινητική πεμπτουσία, η οποία έχει μια μη τυπική μορφή κινητικής ενέργειας. Αυτές μπορούν να έχουν ασυνήθιστες ιδιότητες: η ενέργεια φάντασμα, για παράδειγμα, με αρνητικό άθροισμα της πίεσης και της ενεργειακής πυκνότητας μπορεί να προκαλέσει το Μεγάλο Σχίσμα ή Big Rip.

Στο μοντέλο της "ενέργειας φάντασμα" του Caldwell από το Caltech, δεν υπάρχει καμιά σταθερή κατάσταση κβαντικού κενού και η ενεργειακή πυκνότητα και η διαστολική πίεση που ασκούνται στο Σύμπαν φαίνονται να αυξάνουν ακόμα και όταν ο ίδιος ο χωρόχρονος επεκτείνεται (στα συνηθισμένα αέρια όταν διαστέλλονται πέφτει η πίεση). Σε αυτό το σενάριο το w είναι μικρότερο από -1. Οι επιπτώσεις αυτού του νέου τύπου κοσμολογίας είναι ότι τα συνδεδεμένα συστήματα θα πρέπει κατά τη διάρκεια του χρόνου να σχίζονται.

Τέλος, υπάρχουν κάποιες θεωρητικές ιδέες για το μέλλον του σύμπαντος. Η μία άποψη λέει ότι η ενέργεια φάντασμα  προκαλεί μια μη κανονική διαστολή, πράγμα που σημαίνει ότι η ισχύς της σκοτεινής ενέργειας εξακολουθεί να αυξάνει μέχρι να κυριαρχήσει σε όλες τις άλλες δυνάμεις του σύμπαντος. Με βάση αυτό το σενάριο, η σκοτεινή ενέργεια θα είχε ως συνέπεια να διαλύσει όλες τις δομές, που στηρίζονται στην βαρύτητα, συμπεριλαμβανομένων των γαλαξιών και των ηλιακών συστημάτων, και τελικά να ξεπεράσει σε ισχύ τις ηλεκτρικές και πυρηνικές δυνάμεις. Οπότε μόλις θα διαλυθούν όλα τα άτομα θα φτάσει το σύμπαν σε ένα "Μεγάλο Σχίσμα".

Παραδείγματος χάριν, με μια τιμή του w=-1,5 το Σύμπαν θα διαρκούσε μόνο για 35 δισεκατομμύρια χρόνια πριν από το μεγάλο θρυμματισμό ή σχίσμα. Περίπου 60 εκατομμύρια χρόνια πριν από το τέλος, ο Γαλαξίας θα διαχωριζόταν. Περίπου 3 μήνες πριν από το τέλος το ηλιακό σύστημα θα εκραγεί. Περίπου 30 λεπτά πριν από αυτό η Γη θα εκρηγνυόταν. Και περίπου 10-19 δευτερόλεπτα πριν από την τελευταία μοιραία στιγμή, τα άτομα θα απομακρυνθούν μεταξύ τους.

Δηλαδή στο μοντέλο της Μεγάλης Σχισμής η "ενέργεια φάντασμα", ένα ιδιαίτερο είδος σκοτεινής ενέργειας που τροφοδοτεί υποθετικά την επιταχυνομένη διαστολή του Σύμπαντος, όσο περνάει ο χρόνος, θα ανατρέψει όλες τις συνδεδεμένες καταστάσεις που επικρατούν στη φύση. Κατ' αυτό τον τρόπο οι γαλαξίες θα χάσουν τα αστέρια τους. Τα πιο πρόσφατα αστρικά συστήματα, όπως το ηλιακό, θα διασπαστούν. Και στο τέλος ακόμα και τα άτομα θα χωρίζονταν δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια δεν θα συγκρατιόνταν πλέον από τους πυρήνες τους.

Και σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Pedro Gonzalez-Diaz η εποχή του Big Rip θα έρθει μετά από 22 δισεκατομμύρια χρόνια.

Από την άλλη πλευρά, η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να διαλυθεί με την πάροδο του χρόνου, ή ακόμη και να καταστεί ελκυστική αντί για απωστική. Αυτές οι αβεβαιότητες αφήνουν ανοικτό το ενδεχόμενο η βαρύτητα να μπορούσε μια ημέρα να οδηγήσει το σύμπαν σε μια "Μεγάλη Σύνθλιψη". Ορισμένα σενάρια, όπως το κυκλικό μοντέλο προτείνουν ότι η "Μεγάλη Σύνθλιψη" θα μπορούσε να συμβεί. Αν και αυτές οι ιδέες δεν υποστηρίζονται από τις παρατηρήσεις, δεν έχουν αποκλειστεί. Γι αυτό και οι μετρήσεις της επιτάχυνσης της διαστολής είναι ζωτικής σημασίας για να καθοριστεί η τελική μοίρα του σύμπαντος στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.