Izvor slike: Vikipedija.
„Tamna energija“ je zagonetno ime za dominantnu fizičku komponentu našeg svemira. Šira ideja tog koncepta je sa nama u stvari već više od jednog veka i evoluirala je sa napretkom fizike i astronomije. Skiciraćemo ovde taj proces.
Korisno je da prvo objasnimo razliku između „tamne materije“ i „tamne energije“.
Radni model za „tamnu materiju“ su oblaci masivnih, električno neutralnih čestica. Otvoreni problem, i to veliki, jeste što su te čestice još uvek neidentifikovane u laboratorijskim eksperimentima.
Zbog svoje mase, takvi oblaci kroz gravitaciono privlačenje pomažu u formiranju i stabilnosti galaksija, dovode do savijanja prostora i usporavaju širenje svemira.
Odsustvo električnog naboja čini ih nevidljivim, jer električno neutralne čestice ne mogu da emituju ili apsorbuju svetlost. Tako da fraza „tamna materija“ u stvari znači nevidljiva, prozirna materija. Nevidljiva masa.
„Tamna energija“ je nešto sasvim drugo. Nevidljiva iz istog razloga kao i „tamna materija“, jer nema električni naboj, ali ne sastoji se od čestica! Bilo kakvih. Poznatih, nepoznatih, sve jedno.
Kako je počelo?
„Tamna energija“ je jedna primena šire ideje čija formulacija je započela 1917. godine od strane Alberta Ajnštajna.
Fizičar i filozof Ernst Mah je špekulisao da fundamentalno svojstvo inercije koje ima svaka masa, možda potiče od gravitacionog privlačenja dalekih zvezda? O toj ideji se povremeno raspravljalo i raspravlja sve do naših dana.
Umesto toga Ajnštajn je pokušao da objasni inerciju kao posledicu gravitacionog privlačenja neke nepoznate mase koja sa ravnomernom gustinom prožima sav prostor, sav svemir. To objašnjenje nije uspelo ali je on tada primetio da takva raspodela kao da ima anti-gravitaciono dejstvo koje drži balans uzajamnom privlačenju zvezda i sprečava da se svemir uruši.
Zbog te stabilizujuće kosmološke uloge, Ajnštajn je gustinu takvog neprekidnog medijuma nazvao „kosmološka konstanta.“
Tako je konstruisan prvi relativistički model svog svemira. Statičan, u srednjem nepromenljiv svet, konačne zapremine.
Na prvi pogled to je imalo smisla, jer koliko se tada znalo svemir je u celini statičan! Pojam galaksija nije bio još uvek jasan a kretanje zvezda je izgledalo i tamo i ovamo, u srednjem nula.
Koncept
Pogledajmo sada šta je značenje anti-gravitacije.
Zamislimo neravnomernu raspodelu zvezda u prostoru. Usled međusobne gravitacione sile zvezde iz manje gustih oblasti padaju ka gušćim. Gustina materije postaje veoma neravnomerna, visoka tamo gde su koncentracije, a između skoro nula.
Zamislimo sada da je gravitacija odbojna sila. Tada dolazi do suprotnog efekta: gušće oblasti postaju manje guste. Anti-gravitaciono odbijanje ispegla svaku neravnomernost pa je konačno stabilno stanje raspodela svuda jednake gustine.
Šta više, ako takva anti-gravitacija postoji, svaki deo takvih zvezda odbija svaki drugi deo. Takve zvezde bi se raspadale. Čak ni postojanje diskretnih čestica nije više moguće! Anti-gravitaciona masa može da postoji samo kao beskrajni kontinuum svuda jednake gustine, uz to nevidljiv ako je električno neutralan.
Jedan od osnovnih zakona teorije relativnosti je funkcionalna jednakost mase (m) i energije (E). To je čuvena Ajnštajnova relacija E=mc2, gde simbol „c“ označava brzinu svetlosti. Tako da je nevidljiva, prozirna masa svuda jednake gustine isto što i raspodela nevidljive energije svuda jednake gustine.
Relativnost
U gornjoj ilustraciji pošli smo od pretpostavke da postoji anti-gravitacija i zaključili da medijum sa takvim svojstvom mora da ima svuda jednaku gustinu.
Međutim u teoriji relativnosti važi jači, obrnut zaključak: ako zamislimo da postoji medijum svuda jednake gustine onda on MORA da ima anti-gravitaciono svojstvo!
Kako se kaže, nema boga, nema izbora.
Ovakav dramatični efekat nije nikada direktno izmeren ali je nesumnjiv. Zašto? Zato što sledi u tri reda algebre iz osnovnih, mnogo puta testiranih i potvrđenih zakona relativističke fizike.
To je ono što je Ajnštajn uočio.
Posledice
Vrlo brzo je međutim postalo jasno da Ajnštajnov statički svemir ne odgovara realnosti. Ali jednom uvedena, „kosmološka konstanta“ je bila tu, i mogućnost njenog prisustva je nametalo pitanja: Šta je njena priroda? I kakvi su njeni efekti?
Svake decenije od tada pojavljivale su se mogući odgovori na ta pitanja. Da bi se sedamdesetih i osamdesetih godina razvoj dramatično ubrzao: fizičari su tada shvatili šta je fizička priroda „kosmološke konstante“! To je lepa, zasebna tema.
Krupna teorijska primena ovog koncepta bio je razvoj takozvane inflacione kosmologije. Što je takođe zasebna tema.
U međuvremenu i malo kasnije, osamdesetih i devedesetih, drugi fizičari su počeli da ukazuju da postoji indirektna evidencija da je „nešto kao kosmološka konstanta“, ali mnogo manje gustine, prisutno i u sadašnjem svemiru.
I zaista, krajem devedesetih astronomi su uspeli da izmere prisustvo male „nešto kao kosmološke konstante“ u sadašnjem i bliskom u prošlosti svemiru. Po tim prvim merenjima bilo je moguće da se radi o stvarnoj konstanti, i to je ono što se navodi kada se kaže na primer da je gustina „tamne energije“ oko 70% srednje gustine sadašnjeg svemira.
Ali bilo je jasno i da je moguće da se radi o sporo promenljivoj veličini čija promenljivost je bila ispod tačnosti tadašnjeg merenja. Već su postojali teorijski modeli koji su pokrivali i jednu i drugu mogućnost.
Otuda je fizičar Majk Turner (Trner, po Vuku), skovao termin „tamna energija“. Ideja je bila da se ne vežemo imenom ni za jedan teorijski scenario, jer još ne znamo koji je tačan, već da se tim nazivom pokrije ono što su posmatranja pokazala: postojanje nevidljive anti-gravitacione komponente male gustine koja dovodi do ubrzanja u širenju svemira.
Ime naravno zbunjuje. Fascinira umesto da objašnjava, ali tako je.
Šta dalje?
Kao što smo videli, sam koncept „tamne energije“ nije problem za teorijsku fiziku.
Nije problem ako se potvrdi da se ona menjala u toku poslednjih 5-7 milijardi godina, na šta su ukazala skorašnja posmatranja koja imaju veću tačnost nego pre 25-30 godina. Niti je problem ako ispadne da su te prve najave bile preuranjene i da se gustina „tamne energije“ ne menja, opet u okviru tačnosti sadašnjih posmatranja.
Ne radi se, kako se često vidi na Internetu, o nekoj „krizi u kosmologiji.“ Fizičari nisu pred praznom tablom pa ne znaju šta će.
Naprotiv. Posle decenija isključivo teorijskih šema, tehnološki napredak u instrumentaciji i obradi podataka doveo je u naše vreme do uzbudljivog razvoja koji može bar malo da razjasni postojeće teorijske koncepte i da još jednom poveže fiziku mikrosveta sa kosmologijom.
Postoje dva ključna pitanja:
Kakva je veza između poznate fizike, poznate materije i „tamne energije“?
Kakva je veza između „tamne materije“ i tamne energije“?
Odgovor zahteva istraživanja i u velikim i u malim razmerama. S jedne strane, korišćenjem moćnih akceleratora i laboratorijskih eksperimenata, a s druge sistematskim astronomskim merenjima impresivno velikih razmera i tačnosti.
Kako se to kaže, „ostanite na vezi.“