Det femte element

Hvad er usynligt, fyldt med energi og river Universet fra hinanden, spørger

Marcus Chown

Indhold:

Indledning
Dominerende kraft
Indadrettet spænding
Manglende kvasarer
Box: Det elastiske rums bizarre verden

Indledning

Sidste år blev astronomiverdenen rystet i sin grundvold ved opdagelsen af, at supernovaer på den anden side af Universet var svagere og derfor længere væk end deres rødforskydning antydede, at de havde ret til at være. På en eller anden måde har rummet strukket sig mere, end det burde have gjort, siden lyset fra disse eksploderende stjerner begyndte at bevæge sig tværs over Universet for alle disse millioner år siden. Modsat alle forventninger sætter Universets udvidelse hastigheden op (se "To infinity and beyond," 11 April 1998, p. 26).
    Det er ikke overraskende, at astronomerne blev chokerede. De mente, at den eneste kraft, der virkede på den kosmiske skala, var gravitation og at gravitationen trak galakserne sammen, bremsede Universets udvidelse. Hvis udvidelsen sætter farten op, erkendte de, må noget modvirke gravitationen, skubbe istedet for trække. Den eneste kandidat, de kunne finde på, som kunne gøre dette, er det tomme rum. Men hvordan kan det skubbe galakserne fra hinanden? Hvordan kan det tomme rum være "elastisk"?

Dominerende kraft

Det viser sig, at rummet kan være elastisk, hvis det er lavet af et helt nyt materiale - helt anderledes end det stof og den stråling, vi er vant til. Vi kan ikke se dette materiale, men vi ved, at det må være fyldt med energi. Problemet er, at de forskere, der slås med at forstå dette eksotiske materiales adfærd, forudsiger, at det burde have meget mere energi, end det har. Endvidere kan de ikke forklare, hvorfor elasticiteten er blevet den dominerende kraft på dette særlige tidspunkt i Universets historie. Lige i hælene på supernova-resultaterne begynder nogle spændende nye teorier imidlertid at dukke op.
    Einsteins gravitationsteori fortæller os, hvordan gravitationen kan være frastødende - dvs. skubbe så vel som trække. For at forstå hvordan, må man først vide, at i den almene relativitets ligninger frembringes gravitationen af to ting: et materiales energitæthed og dets tryk. Strengt taget er tryk en slags energi - energien af gaspartikler, der trommer på en beholders vægge, for eksempel. Einstein klumpede imidlertid med vilje ikke trykket sammen med energitætheden i sine ligninger. Det er fordi, han havde en fornemmelse af, at Universet også kunne indeholde et materiale med "indre tryk". Dette materiale er nøglen til at forstå, hvordan gravitationen kan skubbe i stedet for at trække.

    Hvis man i Einsteins ligninger adderer energitæthedstermen til tryktermen og får et positivt resultat, trækker gravitationen. Så enkelt er det. Men hvordan kan termernes sum blive negativ? Tja, for Universets sædvanlige indhold i vore dage - stof og lysstråling - er summen altid positiv, da deres energitætheder er positive og trykkene er meget små.
    Men hvad nu, hvis Universet indeholder et eksotisk materiale med et stort indre negativt tryk? Som ville være stort nok til at øve indflydelse på gravitationen?

Indadrettet spænding

Negativt tryk er ikke den bizarre ide, som det forekommer ved første øjekast. Det er helt enkelt en kraft, der trækker indad som spændingen i et stykke udstrakt elastik. Det betyder, at rummet kan være elastisk under forudsætning af, at det er lavet af et mærkeligt materiale med en stor indre spænding. Det er en ide, som er vanskelig at forestille sig. For hvordan kan et materiale, som trækker indad, drive galakser bort fra hinanden? Nøglen er at forstå, at rummets negative tryk ingen direkte virkning har på sine omgivelser. Dette skyldes, at kræfter er en konsekvens af trykforskelle. Men i rummet er hvert område omgivet af andre områder og de har alle nøjagtig det samme tryk. Der er ingen trykforskelle. Det negative tryk virker kun på én måde: ved at frembringe frastødende gravitation gennem almen relativitet.
    Så for at forklare måden rummet synes at strække sig på, må vi antage, at det har et stort negativt tryk. Tilføj et ekstra kneb (se Det elastiske rums bizarre verden) og kosmologerne har deres eksotiske materiale, som de kalder "Lambda kraften".
    En af fordelene ved elastisk rum er, at det løser et stort kosmologisk mysterium. Kosmologer holder af at tale om Universets tæthed ved hjælp af den såkaldte "kritiske tæthed". Dette svarer til et univers, hvis totale energi - kinetisk plus potentiel - er nul. Den populære teori om inflation, som erklærer, at Universet pludselig blæstes op i løbet af den første brøkdel af et sekund efter dets fødsel, forudsiger, at Universet burde have præcis den kritiske tæthed.
    Et univers, som starter med en tæthed, der er blot en smule forskellig fra den kritiske tæthed, vil enten stige hurtigt i tæthed eller styrte ned i tæthed. Denne skæbne undgås kun af et univers, som starter med præcis den kritiske tæthed. Der forbliver det for evigt.
    Så teorien går på, at vort univers enten burde svæve præcist på den kritiske tæthed, eller have en tæthed, som er dramatisk anderledes. Hvis man imidlertid lægger alt stoffet i Universet sammen - stjerner, galakser og usynligt "mørkt stof" - får man et resultat, som er omkring 30 procent af den kritiske tæthed. Det er nær nok til, at kosmologerne antager, at vi virkelig svæver ved den kritiske tæthed og helt enkelt har overset den manglende del. Elastisk rum kunne meget vel passe ind her. Universet kan svæve ved den kritiske tæthed, hvis 30 procent af dets masse er i form af stof og 70 procent er i form af elastisk rum, som har masse på grund af den energi, det indeholder.
    Dette er gode nyheder for astronomer, men katastrofale nyheder for fysikere. Deres teori om rummets vacuum fejler fuldstændigt, når den skal forudsige dets energitæthed. Kvanteteorien betragter naturens partikler som anslåede "felter", der strækker sig gennem rummet. Fotoner er for eksempel lokale buler i det elektromagnetiske felt, elektroner og positroner er buler i elektron-positronfeltet og så videre.
    Disse felter er som guitarstrenge. Hver kan vibrere på et uendeligt antal måder - grundlæggende, første overtone og så videre. Ulig guitarstrenge kan disse måder imidlertid ikke dæmpes til en amplitude på nul. Det viser sig, at kvanteteorien fastlægger en minimumenergi for hver vibrations modalitet. Denne "nulpunktsenergi" er lille, men når man adderer et uendeligt antal små energibidder, svarende til alle felternes uendelige vibrationsmodaliteter, bliver resultatet uendeligt. Da felternes lavest mulige energi svarer til vacuum, forudsiger kvanteteorien, at vacuet har en uendelig energitæthed. Det er klart, at det ikke kan være rigtigt, da Universet ellers forlængst ville være kollapset til et sort hul. "Det er forfærdelig pinligt," siger teoretikeren Paul Steinhardt fra Princeton University.

    Et andet problem med kvantebilledet er, at selv om fysikkens love dikterer, at vacuet har samme energitæthed, ligegyldigt hvad man gør ved det - nøjagtig kravet til elastisk rum - så forklarer disse samme love ikke, hvordan et bundt nulpunkt feltvibrationer kan blive til et eksotisk materiale med negativt tryk.
    "Ingen forstår rigtigt forbindelsen mellem kvanteteoriens vacuum og almen relativitet," indrømmer Max Tegmark fra Institute of Advanced Studies i Princeton. "Alt hvad man kan sige er, at vacuet er mærkeligt og vacuet "sucks".
    I virkeligheden kan man ikke have en uendelig energitæthed: fysikkens love bryder sammen ved den såkaldte Planck energitæthed, hvor gravitationen udfordrer naturens andre kræfter. Så det forekommer fornuftigt at antage, at noget forhindrer, at vacuumenergien bliver større end den. Men selv da ville energien være alt for stor: Planck energitætheden er 10¹²³ gange større end det elastiske rums målte energitæthed. Dette er af Nobel pristageren Steven Weinberg blevet beskrevet som "den værste fejl i en estimering af størrelsesorden i videnskabens historie".
    Mens nogle teoretikere brydes med at forklare de observerede værdier af energien, der er klumpet sammen i vacuet, tænker andre på et andet, men relateret mysterium: hvorfor er rummets energitæthed i dag så tæt på stoffets energitæthed? Husk, at stoffet antages at udgøre omkring 30 procent af Universets energitæthed og det elastiske rum og dets mørke energi udgør de resterende 70 procent. Spørgsmålet er, hvorfor forholdet mellem disse to tal er så tæt på 1?
    Det er yderst besynderligt. Husk at rummets energitæthed aldrig ændrer sig, ligemeget hvor meget rummet strækker sig (se "Det elastiske rums bizarre verden"). Så rummets energitæthed er nøjagtig den samme i dag, som den var i Universets første brøkdel af et sekund. Sæt dette i kontrast til stoffets og strålingens energi, som er blevet yderst fortyndet af det ekspanderende univers. Faktisk var stoffets og strålingens energitæthed lige efter Big Bang 10¹⁰⁰ gange større end rummets. Forekommer det ikke mærkeligt, at vi er kommet på scenen i næsten eksakt det øjeblik, hvor dette forhold er dalet fra 10¹⁰⁰ til omkring 1?
    Det kunne selvfølgelig være et tilfælde, men traditionelt hader teoretikere at antage, at der er noget særligt eller usædvanligt ved den tidsperiode, vi tilfældigvis lever i. Steinhardt har en vej ud af dette dilemma. Den involverer opfindelsen af et helt nyt eksotisk materiale, som han og hans kolleger kalder "kvintessens". "Vi har stjålet ordet fra de gamle grækere, som mente, at verdens elementære bestanddele var jord, ild, vand og luft," siger Steinhardt. "De spekulerede også over en anden, renere komponent - en femte essens".
    Som Lambda kraften er kvintessens en slags vacuum energi. Den eksisterer i hele rummet som et såkaldt "skalært felt". Normalt har felter både størrelse og retning i ethvert punkt i rummet - det elektromagnetiske felt er ét eksempel. Et skalært felt har imidlertid kun størrelse. Et sådant felt er muligt i fysik (f.eks. et felt, der beskriver rummets temperatur, o.a.). "Lignende felter drev Universets dramatiske udvidelse under inflationen, skønt de var meget mere energirige," siger Steinhardt. "Den form for lavenergi felt, vi tænker på, kunne man forestille sig opstå i superstreng teori, der betragter naturens fundamentale partikler som vibrationer af små strenge".

Hvordan kan kvintessens så forklare det særlige forhold mellem energitætheden af stof og mørk energi? Det afgørende er, at kvintessens, ulig Lambda energien, ikke behøver forblive konstant. "Den kan ikke blot variere i tid og rum, men forholdet mellem dens negative tryk og dens energitæthed kan også variere med tiden", siger Steinhardt.
    Det er sådan den løser problemet med forholdet. Kvintessens har en overvældende fordel som bestanddel af vacuet. Fordi den ændrer sig med tiden kan kvintessens netop forklare, hvorfor rummets energitæthed er så tæt på stoffets energitæthed, når den startede 10¹⁰⁰ gange mindre. Det afgørende er, at den kan vekselvirke med stoffet og spore dets energitæthed og pejle sig ind på dens værdi. Steinhardt kalder det et "sporfelt". "Ligegyldigt hvilken energitæthed det starter ud med, så pejler det sig ind på stoffets energitæthed", siger han.
    Findes den mørke energi så i form af en uforanderlig Lambda eller kvintessens? Det vil blive svært at skelne mellem de to alternativer. Lambda kraften vokser ufortrødent med Universets størrelse, så med tiden vil den fuldstændigt dominere over den tyngdemæssige tiltrækning fra almindeligt stof og stråling. Den vil få Universet til at ekspandere for evigt og fortynde almindeligt stof, indtil dets tæthed nærmer sig nul. I kontrast hertil vil kvintessensens virkning være anderledes: da den pejler sig ind på stoffets energitæthed, vil de to forsvinde i takt. Ikke desto mindre vil den også til sidst føre til et uendeligt udbredt, uendelig fortyndet univers.
    Nogle fysikere synes, at det er for tidligt blot at tænke på at skelne mellem kvintessens og Lambda kraften. "Jeg synes samfundet er faldet overbord," siger Rocky Kolb fra Fermi National Accelerator Laboratory nær Chicago. "Det er så vigtigt, at vi ikke foretager forhastede vurderinger, der kun er baseret på én observation. Universet har narret os før".

Manglende kvasarer

Kolb peger på, at hvis Universets udvidelse går hurtigere, burde det forøge rumfanget af rummet mellem os og superlyse galakser, kendt som kvasarer, og derfor antallet af galakser mellem os og kvasarerne. Jo flere sådanne galakser, jo større er chancen for, at nogle af dem vil forstørre eller "linse" en kvasars lys. "Der forekommer imidlertid at være færre gravitationsmæssigt linsede kvasarer, end man ville forvente i et univers med en Lambda kraft," siger Kolb.
    Skønt Kolb er skeptisk, vedrørende supernova resultaterne, siger Tegmark, at adskillige andre vidnesbyrd også peger i samme retning. For eksempel har Universet næsten samme alder som dets ældste stjerner, hvilket efterlader meget kort tid efter Big Bang til dannelsen af galakser og stjerner. "Hvis galakserne i vore dage drives fra hinanden af Lambda kraften, så har vi overvurderet deres fjernelseshastighed og derfor undervurderet tiden siden de var sammen i Big Bang," siger Tegmark.
    Et andet vidnesbyrd, som peger i samme retning, stammer fra den kosmiske baggrundsstråling, Big Bangs mikrobølge "efterglød". Den varierer meget fint i temperatur hen over himlen. Det, alle er interesseret i, er den vinkelskala, hvorpå temperaturvariationerne er stærke. Bevægelsen af stof og stråling på stor skala, i det tidlige univers, skabte disse variationer. Lambda kraften ville have ændret den skala, hvorpå temperatur fluktuationerne er stærkest. "Et antal eksperimenter har vist, at den første top synes at være omkring 1 grad, hvilket er kompatibelt med en Lambda kraft," siger Tegmark.
    Der er et desperat behov for nye observationer for at fastslå teorierne. Heldigvis behøver vi ikke vente for længe. NASA planlægger opsendelsen af Microwave Anisotropy Probe (MAP) og European Space Agency har en mere omfattende mission kaldet Planck i fløjene. Og astronomerne afventer i øjeblikket resultaterne af adskillige jordbaserede og ballon eksperimenter, som kunne fortælle os mere om Universets mørke energi. "Det er ekstremt spændende," siger Tegmark.

Fra The fifth element, New Scientist, 3. april 1999, pp.29-32.

29. maj, 2006.

Indhold
Inflation i et univers med lav tæthed :Én sti: Kosmologisk antigravitation
Det omvendte univers
Det inflatoriske univers
Det selv-reproducerende inflatoriske univers
Kosmologiens gyldne tidsalder
Index