Czy to kwantowe fluktuacje próżni napędzają ekspansję Wszechświata?

Od niemal stu lat wiadomo, że Wszechświat się rozszerza, a od 1998 r. – że rozszerza się coraz szybciej. Pierwsze stwierdzenie oznacza, że miał dramatyczny początek ok. 13,8 mld lat temu – kiedy był bardzo gęsty i bardzo gorący. Drugie, że prawdopodobnie nie będzie on miał żadnego dramatycznego końca.

Gdyby ekspansja Wszechświata z czasem spowalniała, byłoby to zrozumiałe intuicyjnie – przeciwdziałają jej przecież siły grawitacyjnego przyciągania pomiędzy wypełniającymi przestrzeń obiektami. Ale intuicja zawodzi. Dlatego zagadkowy mechanizm napędzający przyspieszanie rozszerzania przyjęło się nazywać „ciemną energią”. To jednak tylko nazwa nadana zjawisku, które nadal pozostaje niezrozumiałe.

Matematycznie rzecz biorąc, opis przyspieszającej ekspansji wymaga wprowadzenia w równaniach Einsteina (opisujących czasoprzestrzeń) wyrazu zawierającego tzw. stałą kosmologiczną. Wprowadził ją już sam Albert, ale potem nazwał tę decyzję „największym błędem swojego życia”.

Taniec wirtualnych cząstek zmienia właściwości próżni

Tego „odpychającego” dodatku w równaniach Einsteina od dawna nikt nie traktował jako wyniku pomyłki. Raczej jako coś, co ma pełne prawo w tych równaniach być – i coś, co nie psuje ich elegancji ani symetrii. Wartość samej stałej kosmologicznej i jej sens pozostawały jednak zagadką.

Można oczywiście uznać, że jest to jeden z parametrów teorii – parametrów takich jak masy cząstek elementarnych – których wartości obecnie nie jesteśmy w stanie wyjaśnić. Być może są one niezależnymi stałymi i mogłyby być inne w innej kopii wszechświata, a może ich wartości wynikają z jakiejś głębszej teorii, której nie znamy. Od dawna podejrzewano jednak, że stała kosmologiczna może mieć związek z tak zwanym Efektem Casimira.

Efekt ten to konsekwencja kwantowych własności próżni, w której pojawiają się i zanikają tak zwane cząstki wirtualne. Kiedy założy się ich istnienie, okaże się, że elektrycznie obojętne powierzchnie muszą się elektrycznie przyciągać. Zjawisko to zostało przewidziane 80 lat temu przez Hendrika Casimira, fizyka holenderskiego pracującego wówczas w fabryce żarówek w Eindhoven. Choć przez kolejne 60 lat pozostawało teoretyczną ciekawostką, to współcześnie jest z rosnącą dokładnością potwierdzane w doświadczeniach.

Wynik rachunków zbliżony do obserwacji kosmologicznych

W najnowszym numerze „Physical Review Letters” pojawił się artykuł, w którym dwóch fizyków z University of Luxembourg obliczyło, jakie „naprężenia w przestrzeni” spowoduje uwzględnienie Efektu Casimira i… otrzymało wynik zgodny z obserwowaną wartością stałej kosmologicznej.

Autorzy, wśród nich Alexandre Tkachenko, specjalista od oddziaływań międzyatomowych, dowiedli, jakie własności elektromagnetycznych nabywa próżnia w wyniku powstawania w niej i zanikania wirtualnych par elektronów i anty-elektronów. Obliczyli też, jakie siły działające na samą przestrzeń pojawią się po uwzględnieniu elektromagnetycznego oddziaływania wirtualnych cząstek.

Następnie autorzy sprawdzili, jakiej wartości stałej kosmologicznej należałoby użyć, aby odtworzyć otrzymane wartości naprężeń: otrzymali zbliżoną do tej mierzonej w obserwacjach przyspieszającej ekspansji Wszechświata.

Korki od szampana jeszcze nie strzelają

Gdyby okazało się, że w opublikowanym rachunku „jest coś na rzeczy”, to byłaby rzecz wielka – wyjaśnienie jednej w poważniejszych zagadek współczesnej fizyki. „Physical Review Letters” to bardzo poważne czasopismo, z dostępem do kompetentnych recenzentów. Dlaczego więc fizycy teoretycy wstrzymują się z otwieraniem schłodzonych w lodówkach szampanów?

Po pierwsze, pomysł, że efekt Casimira ma wpływ na przyspieszające rozszerzanie Wszechświata, nie jest nowy. Podobne obliczenia wykonywano wielokrotnie różnymi metodami i otrzymywano wartość stałej kosmologiczną większą od obserwowanej o czynnik większy od 10^120 (to e największa niezgodność teorii z obserwacjami w historii fizyki).

Po drugie, fizycy z Luksemburga zastosowali szereg uproszczeń i arbitralnych wyborów. Podzielili przestrzeń w dość dowolny sposób na małe oddziałujące segmenty. Założyli, że w każdym z nich fluktuacje próżni zachodzą niezależnie itd.

Historia zna jednak przypadki podobnych (z założeniami ad-hoc) rachunków, które później zostały potwierdzone matematycznie ścisłym wyprowadzeniem. Przykładem słynny, wykonany przez Hansa Bethego podczas jazdy pociągiem, rachunek tzw. przesunięcia Lamba, który dał początek elektrodynamice kwantowej, dopiero kilka lat później przeprowadzony w zadowalająco ścisły sposób.

Czy tak będzie teraz?