Tamsioji materija, tamsioji energija, tamsusis… magnetizmas? (Video)  (12)

Būsime vieniši, kai kosmosas pasens. Jo žvilganti gausa palengva blės, nesuskaičiuojamoms galaktikoms dingstant iš akiračio. Po dešimčių milijardų metų liks tik kaimyninių galaktikų pulkelis, žvelgiantis į tuščią erdvę.

Ši niūri ateitis artinasi, nes erdvė plečiasi vis sparčiau, leisdama nutolusioms sritims pasitraukti už ribos, kur šviesa dar gali mus pasiekti. Tokio apgailėtino likimo kaltininką vadiname tamsiąja energija, bet prie jos tapatybės išsiaiškinimo nepriartėjome. Ar kaltininkas gali būti stumianti jėga, kylanti iš tuščios erdvės energijos, ar gravitacijos pokyčio dėl didelio atstumo? Kiekvienas paaiškinimas turi savo žavesio, bet ir rimtų problemų.

O kas, jei ta paslaptingoji jėga, veikianti šviesą, yra pačios šviesos nepažįstamas aidas? Šviesa tėra elektromagnetinės jėgos išraiška, ir įprastinės fizikos draudžiamos bangos, kurių ilgis trilijonus kartų didesnis, nei stebima visata, gali paaiškinti tamsiosios energijos pikta lemiantį buvimą. Tai drąsiai tvirtina du kosmologai, manantys, kad tokios bangos taip pat galėtų paaiškinti paslaptingus magnetinius laukus, persmelkiančius net tuščiausius visatos plotus. Mažesnės jų versijos gali kilti iš mūsų galaktikos juodųjų bedugnių.

Praėjo beveik du dešimtmečiai nuo to laiko, kai supratome, kad plečiasi pati visata. Tai grindžiama pastebėjimu, kad toliau esančios supernovos yra blankesnės, nei turėtų būti ir šis atradimas uždirbo jo autoriams Nobelio premiją fizikos srityje 2011 metais.

Video: Kodėl visatos plėtimasis spartėja?

Pagrindinis tamsiosios energijos paslapties įtariamasis yra kosmologinė konstata, nekintanti energija, galinti kilti iš trumpaamžių, virtualių dalelių, kurios, pasak kvantinės teorijos, nuolatos tik ir knibžda šiaip jau tuščioje erdvėje.

Mutavusi gravitacija

Tam, kad sukeltų tokį greitėjimą, kokį matome, tamsiosios energijos tankis turėtų būti apie pusę džaulio kubiniame kilometre erdvės. Tačiau, kai fizikai bando suskaičiuoti virtualių dalelių energiją, atsakymas būna arba tiksliai nulis (kas yra blogai), arba kažkas tokio milžiniško, kad tuščia erdvė suplėšytų visą materiją į skutelius (kas yra labai blogai). Pastaruoju atveju atsakymas yra 10¹²⁰ kartų didesnis ir pretenduoja į patį netiksliausią fizikos spėjimą.

Ši kliūtis pastūmėjo kai kuriuos tyrėjus kita kryptimi. Jie teigia, kad tamsioji energija yra visiškai kita gravitacijos pusė. Daugelio milijardų šviesmečių atstumu ji gali pasikeisti iš traukiančios jėgos į stumiančią.

Bet su gravitacija elgtis taip atsainiai neatsargu. Einšteino bendroji reliatyvumo teorija apibūdina gravitaciją kaip laiko ir erdvės išlinkimą ir numato planetų ir erdvėlaivių judėjimą saulės sistemoje labai tiksliai. Bandant pritempti teoriją prie kosminio masto plėtimosi greitėjimo, ji dažniausiai darosi netinkama naudoti arčiau namų.

Tačiau tai nesustabdė daugelio fizikų nuo ėjimo šiuo keliu. Visai neseniai, Jose Beltrán ir Antonio Maroto buvo vieni iš tokių. 2008 metais Madrido Komplutensės universitete, Ispanijoje, jie tyrinėjo tam tikrą mutavusios gravitacijos modelį, vadinamąją vektorių-tenzorių teoriją, kuri, jų manymu galėjo pamėgdžioti tamsiąją energiją. Tada atėjo staigus supratimas. Naujoji teorija turėjo aprašyti keistą gravitacijos versiją, bet jos lygtys buvo neįtikėtinai panašios į kitos jėgos veikimą aprašančią matematiką. „Jos atrodė kaip elektromagnetizmas,“ prisimena Beltrán, dabar dirbantis Ženevos universitete Šveicarijoje. „Pradėjome manyti, kad čia gali būti ryšys.“

Tad jie nusprendė pažiūrėti, kas atsitiktų, jeigu jų matematika aprašytų ne mases ir erdvėlaikį, o magnetus ir įtampas. Tam reikėjo naujai pažvelgti į elektromagnetizmą. Kaip dauguma gamtos fundamentaliųjų jėgų, elektromagnetizmas geriausiai suprantamas kaip reiškinys, kuriame viskas padalinta į mažus gabaliukus, kitaip – kvantus. Šiuo atveju kvantai yra fotonai: bemasės, bekrūvės dalelės, pernešančios kintančius elektrinius ir magnetinius laukus, tarp kurių judėjimo krypčių yra status 90⁰ kampas.

Keistieji fotonai

Šis apibūdinimas, vadinamas kvantine elektrodinamika (KED), gali paaiškinti daug reiškinių, nuo šviesos elgsenos iki molekules jungiančių jėgų. KED ko gero, buvo nuodugniausiai kada nors išbandyta teorija, bet ji turi tamsią paslaptį. Ji numato ne tik fotonus, bet ir du kitus, keistus reiškinius.

Pirmasis yra banga, kurioje elektrinio lauko kryptis sutampa su judėjimo kryptimi, o ne sudaro statų kampą su ja, kaip įprastuose fotonuose. Tokia išilginė veika primena garso bangos sklidimą ore. Antrasis reiškinys, vadinamoji temporalinė veika, neturi magnetinio lauko. Tai yra gryno elektrinio potencialo, arba įtampos, banga. Kaip visi kvantiniai reiškiniai, šios bangos yra dalelių paketai. Jos formuoja dvi naujas fotonų rūšis.

Kadangi šių keistųjų fotonų niekas nematė, fizikai surado būdą jiems paslėpti. Jie išnyksta, naudojant matematinę pataisą, vadinamąją Lorenco sąlygą, kuri reiškia, kad visi jų atributai visada vienodo dydžio ir priešingos krypties, tad vienas kitą panaikinantys. „Jie yra, bet jų neina išvysti,“ sako Beltránas.

Beltráno ir Maroto'o teorija atrodo, kaip elektromagnetizmas, tik be Lorenco sąlygos. Tad jie patikrino savo lygtis, kad pamatytų, kokias kosmologines implikacijas jos galėtų turėti.

Keistosios bangos, paprastai pašalinamos su Lorenco sąlyga, gali atsirasti, kaip trumpos kvantinės fluktuacijos – virtualios bangos vakuume – ir vėl išnykti. Tačiau ankstyvosiomis visatos akimirkomis, manoma, buvo labai energingo plėtimosi epizodas, vadinamoji infliacija, kurią sukėlė labai galinga stumiančioji gravitacija. Šio plėtimosi jėga labai sustiprino visas kvantines fluktuacijas. Pavyzdžiui, ji sukūrė materijos tankio netolygumus, galiausiai pasėjusius galaktikas ir kitas visatos struktūras.

Svarbiausia, infliacija galėjo sustiprinti naujas elektromagnetines bangas. Beltránas ir Maroto'as mano, kad dėl šio proceso galėjo likti ryškūs jų temporalinės veikos pėdsakai: elektrinio potencialo bangos, kurių ilgis daugybę kartų didesnis už matomą visatą. Šios bangos turi šiek tiek energijos, bet kadangi jos tokios milžiniškos, mes jų nesuvokiame, kaip bangų. Tad jų energija būtų nematoma, tamsi… galbūt tamsioji energija?

Beltránas ir Maroto'as pavadino savo idėją tamsiuoju magnetizmu (arxiv.org/abs/1112.1106). Kitaip, nei kosmologinė konstanta, ji gali paaiškinti tamsiosios energijos kiekį visatoje. Temporalinės veikos energija priklauso nuo tikslaus infliacijos pradžios laiko. Vienas tikėtinas momentas yra maždaug 1⁻¹³ sekundės po didžiojo sprogimo, kai visata atvėso žemiau kritinės temperatūros ir elektromagnetinė sąveika atsiskyrė nuo silpnosios branduolinės sąveikos, tapdama atskira jėga. Fizika patyrė staigų posūkį, gal net pakankamą pradėti infliaciją.

Jei infliacija įvyko per šį „elektrosilpnąjį pokytį“, Beltránas ir Maroto skaičiavimai rodo, kad tai būtų sukūrę temporalines veikas, kurių energijos tankis būtų panašus į tamsiosios energijos. Atitikimas yra vieno dydžio eilės ribose, kas neatrodo taip jau tikslu. Tačiau palyginus su kosmologine konstanta, toks sutapimas yra mažas stebuklas.

Ši teorija taip pat galėtų paaiškinti paslaptingų kosminių magnetinių laukų egzistavimą. Galaktikose matome neabejotiną magnetinių laukų žymę, kadangi jie pakeičia šviesos poliarizaciją. Nors turbulentiškas galaktikų formavimasis ir augimas galėjo sustiprinti jau buvusį lauką, neaišku, iš kur tas laukas atsirado.

Dar keisčiau atrodo, kaip magnetiniai laukai infiltravo tuščiausias kosmoso dykumas. Jų įtaką 2010 metais pastebėjo Andrii'us Neronovas ir Ievgen'ijus Vovk'a iš Ženevos observatorijos. Kai kurios tolimos galaktikos skleidžia gama spindulius, kurių energija yra teraelektronvoltų (TeV) eilės. Šie siaubingai energingi fotonai, keliaudami iki mūsų, turėtų rėžtis į foninę žvaigždžių šviesą, sukurdami elektronus ir pozitronus, kurie savo ruožtu išspinduliuotų kitus, apie 100 GeV gama fotonus. Tačiau astronomai užfiksuoja palyginti mažai tokios antrinės radiacijos. Neronovas ir Vovka mano, kad taip yra dėl to, kad difuzinis magnetinis laukas iškreipia elektronų ir pozitronų trajektorijas, išsklaidydamas emisiją (Science, vol 32, p 73).

„Sudėtinga paaiškinti didžiausio mastelio kosminius magnetinius laukus įprastiniais mechanizmais,“ pastebi astrofizikas Larry Widrow iš Karalienės universiteto Kingstone, Ontarijuje (Kanada). „Jų egzistavimas tuštumoje gali rodyti egzotišką [jų atsiradimo] mechanizmą.“ Vienas spėjimas yra, kad juos suplaka didžiuliai erdvėlaikio gūsiai, vadinami kosminėmis stygomis.

Su tamsiuoju magnetizmu toks styguotas sprendimas būtų nebereikalingas. Kaip ir gigantiškos temporalinės veikos, tamsusis magnetizmas sukeltų po visą kosmosą keliaujančias mažesnes išilgines bangas. Šios bangos galėtų sukurti magnetizmą didžiausiu mastu ir tuščiausiose tuštumose.

Iš pradžių Beltráną ir Maroto'ą kankino abejonės. „Visada pavojinga keisti gerai išvystytą teoriją,“ sako Beltránas. Kosmologas Sean Carroll iš Kalifornijos technologijos instituto Pasadenoje, antrina šiam nerimavimui. „Jie elgiasi ypatingai žiauriai su elektromagnetizmu. Yra visokiausių pavojų, kad kas nors gali eitis ne taip, kaip reikėtų,“ įspėja jis. Toks kišimasis gali greitai pateikti absurdų ir teigti, kad elektromagnetinės jėgos yra kitokios, nei jas iš tikrųjų matome.

Tačiau greitai duetas savo teiginius įtvirtino. Nors teorija skelbia, kad temporalines ir išilgines galima užfiksuoti, vienintelis jas galintis sukurti dalykas yra ultrastiprus gravitacinis laukas, toks, kaip stūmos laukas, atsiradęs infliacijos eroje. Tad atomuose, visuose laboratoriniuose eksperimentuose ir tarp planetų elektromagnetizmas elgiasi taip, kaip KED ir numato.

Carrollio tai neįtikina. „Panašu į beviltišką bandymą,“ sako jis. Bet kitų palankumas auga. Gonzalo Olmo, kosmologas iš Valencijos universiteto Ispanijoje, iš pradžių buvo nusiteikęs skeptiškai, bet dabar šią mintį palaiko. „Ši idėja fantastiška. Jei kvantuosime elektromagnetinius laukus besiplečiančioje visatoje, toks poveikis bus natūralus.“

Tad kaip galima patikrinti idėjos teisingumą? Tamsųjį magnetizmą patikrinti nelengva. Jis beveik nekinta, ir plėstų erdvę beveik taip pat, kaip ir kosmologinė konstanta, tad šių dviejų idėjų neitų atskirti vien stebint kosminio greitėjimo kitimą.

Senovinė žymė

Teorija gali būti patikrinta, įsižiūrėjus į foninę mikrobangų spinduliuotę, radiacijos jūrą, išspinduliuotą, kai visatai buvo mažiau, nei 400 000 metų. Šioje spinduliuotėje žymūs infliacijos sukelti pirmieji materijos tankio netolygumai, ir joje gali būti kitos senovinės žymės. Infliacijos verpetas turėjo sukelti gravitacines bangas, keliaujančius erdvėlaikio netolygumus, ištempiančius ir suspaudžiančius viską savo kelyje. Šios bangos tam tikru būdu turėtų paveikti kosminių mikrobangų poliarizaciją, galinčią papasakoti apie infliacijos pradžią ir stiprumą. Europos kosmoso agentūros „Planck“ erdvėlaivis gali šį raštą įžiūrėti. Jei Plancko ar būsimos misijos išsiaiškins, kad infliacija įvyko prieš elektrosilpnąjį pokytį, didesne energija, tai tamsiojo magnetizmo teorija dabartine savo forma būtų atmesta.

Olmo mano, kad teorijai bet kokiu atveju reikia atlikti šiokius tokius skaitinius patvarkymus, tad tai nereikštų teorijos mirties, tačiau nutrauktų elektrosilpnojo pokyčio ir teisingo tamsiosios energijos kiekio sąryšį.

Vieną dieną galime netgi išvysti keistąją tamsiojo magnetizmo šviesą. Dabar elektrosilpnojo pokyčio metu kilusios bangos turėtų būti ilgesnės, nei keletas šimtų milijonų kilometrų, ilgesnės, nei atstumas iki Saulės. Šviesos bangos aptikimui reikia instrumento, kuris nebūtų daug mažesnis už bangos ilgį, bet tolimoje ateityje gali būti įmanoma pagauti tokias bangas kosminius radioteleskopus, sujungtus per visą Saulės sistemą. Jei infliacija prasidėjo anksčiau, dar didesnės energijos, kaip siūlo Olmo, kai kurios išilginės bangos galėtų būti daug trumpesnės. Tada jas galima būtų aptikti Žemėje esančia technologija. Beltránas teigia, kad jas turėtų būti įmanoma aptikti Kvadratinio kilometro matrica (Square Kilometre Array) – didžiuliu radioinstrumentu, turinčiu stoti rikiuotėn kitame dešimtmetyje.

Jei šias tamsias elektromagnetines bangas gali sukurti stipri gravitacija, tai juos gali kurti ir dabar aplink juodąsias skyles esantys stipriausi laukai. Beltránas mano, kad bangas gali skleisti ir Paukščių Tako centre esanti juodoji bedugnė. Jos netgi gali būti pakankamai trumpos, kad jas būtų galima įžvelgti – bet jos gali būti ir per silpnos, kad būtų matomos. Beltránas ir Maroto'as planuoja atlikti skaičiavimus ir tai išsiaiškinti.

Vienas dalykas, kurį jie paskaičiavo iš savo teorijos, yra visatos įtampa. Didžiulių temporalinių bangų, vos joms atsiradus infliacijos metu, elektrinis potencialas buvo nulinis ir visą laiką augo. Dabar jis siekia gan energingus 10²⁷ voltus, arba milijardą milijardų gigavoltų.

Mūsų laimei, šis potencialas neturi kur išsikrauti. Nebent, žinoma, kitas keistas kosmologijos posūkis šalimais įkurdintų paralelią visatą. Tokia iškrova tikriausiai sunaikintų mums pažįstamą visatą, tačiau tada šiaip jau tamsi ir vieniša ateitis bent jau baigtųsi nušviesta visų žaibų motinos tvykstelėjimu.

Stephen Battersby
New Scientist, № 2867

Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: Vytautas Povilaitis

(3)
(0)
(3)

Komentarai (12)