Prečo naše výpočty vesmíru nesedia s realitou o 120 núl? Vedci hovoria o skrytej temnej dimenzii, ktorá môže vysvetliť záhadu temnej energie
Výpočty temnej energie absolútne nesedia s realitou. Fyzici navrhujú radikálne riešenie: Náš vesmír sa "vylieva" do skrytej piatej dimenzie veľkej len jeden mikrometer.
Temná energia je dnes len číslo. Vieme, akou rýchlosťou kvôli nej vesmír zrýchľuje svoje rozpínanie a vieme ju zmerať z pozorovaní vzdialených galaxií. Problém je, že toto číslo je absurdne malé. A práve tu sa začínajú ťažkosti.
Keď fyzici dosadia známe zákony kvantovej fyziky do výpočtov energie prázdneho priestoru, vyjde im výsledok, ktorý je neporovnateľne väčší než to, čo pozorujeme vo vesmíre. Nejde o pár percent ani o obyčajný desaťnásobok. Rozdiel medzi tým, čo vychádza z kvantových výpočtov, a tým, čo pozorujeme vo vesmíre, je približne 120 núl. Ide o taký extrémny nesúlad, že ho nemožno vysvetliť chybou výpočtu ani nepresnosťou merania.
Preto sa dnes fyzici nepýtajú, čo temná energia je. Podstatné je, prečo má práve takú hodnotu, akú meriame, a čo táto extrémna malosť naznačuje o fyzike, ktorá sa skrýva za hranicami známych teórií.
Autori štúdie zverejnenej na arxiv.org vychádzajú zo stringovej teórie, jedného z hlavných pokusov fyziky opísať gravitáciu na kvantovej úrovni. Tvrdia, že takáto hodnota temnej energie nemôže byť len náhoda a musí ukazovať na ďalšiu, doteraz skrytú fyzikálnu škálu.
Podľa ich výpočtov by sa dôsledky tejto novej fyziky nemali prejaviť až v extrémnych mierkach, ale na vzdialenostiach rádovo mikrometrov, kde sa dnes už experimentálne testuje správanie gravitácie. Zatiaľ však ide len o teoretickú predpoveď, nie o pozorovaný jav.
Neprehliadni
Prečo je hodnota temnej energie skutočný problém
Temná energia sa často opisuje ako niečo, čomu zatiaľ nerozumieme. Ako otvorená otázka, ktorú fyzika raz vyrieši, keď bude mať lepšie teórie alebo presnejšie merania. Tento spôsob uvažovania je však podľa autorov štúdie zavádzajúci.
Problém totiž nie je v tom, že by sme temnú energiu nevedeli pomenovať. Problém je v tom, akú má hodnotu. Ak je energia prázdneho priestoru naozaj taká malá, ako ukazujú pozorovania, potom nejde o číslo, ktoré si teória môže ľubovoľne „nastaviť“, aby jej vyšli výpočty.
Podľa autorov funguje táto hodnota ako pevná hranica. Výrazne zužuje, aké teórie môžu byť vôbec vnútorne konzistentné a zároveň v súlade s realitou. Mnohé modely, ktoré na papieri vyzerajú rozumne, tým automaticky vypadávajú z hry.
V praxi to má jeden konkrétny dôsledok. Ak má teória kvantovej gravitácie fungovať a zároveň vysvetliť takto malú temnú energiu, musí v nej existovať celý rad nových, veľmi ľahkých stavov. Nejde o jednu hypotetickú časticu, ale o „rebrík“ častíc, ktorých hmotnosti sú čoraz menšie a viazané na hranice platnosti samotnej teórie.
Bez takéhoto radu stavov by teória jednoducho nefungovala. Nedokázala by naraz rešpektovať kvantové zákony, gravitáciu a to, čo vo vesmíre skutočne pozorujeme.
Na tento typ rozporov dlhodobo naráža aj swampland program, ktorý skúma, ktoré teórie kvantovej gravitácie sú skutočne konzistentné a ktoré síce fungujú na papieri, ale zlyhávajú pri konfrontácii so základnými fyzikálnymi požiadavkami.
Temná energia sa v tomto kontexte nespráva ako otvorená otázka, ale ako obmedzenie, ktoré mnohé teórie jednoducho neprejdú.
Prečo je hodnota temnej energie problémom pre kvantovú gravitáciu
Autori potom riešia praktickú otázku. Ak má takáto veža ľahkých stavov existovať, odkiaľ sa vezme?
Prvá možnosť je pomerne priamočiara. Fyzika jednoducho pripúšťa, že okrem troch známych rozmerov priestoru môže existovať ešte jeden navyše. Nie nekonečný, ale „zabalený“ do veľmi malej veľkosti, približne jeden mikrometer. Ak sa gravitácia môže pohybovať aj v takomto dodatočnom priestore, neprejaví sa to jedným efektom, ale celou sériou jemných dôsledkov.
Z nášho pohľadu sa tieto dôsledky javia ako nové, veľmi ľahké častice. Nejde však o skutočne nové objekty, ale o rôzne spôsoby, akými sa gravitácia môže v extra rozmere pohybovať. Fyzici tieto stavy nazývajú Kaluza–Klein módy. Prakticky ide o to, že pohyb v skrytom rozmere sa „premieta“ do nášho sveta ako dodatočné gravitačné prejavy, ktoré by sme mohli zaznamenať ako slabé odchýlky od bežného správania gravitácie.
Druhá možnosť nepracuje s dodatočným priestorovým rozmerom, ale s konceptom takzvanej little string theory. Nová fyzika by sa v tomto prípade prejavila ako séria veľmi ľahkých, vysoko-spinových stavov, ktoré pôsobia ako nové častice, no bez jasnej priestorovej interpretácie. Teoreticky je takýto scenár možný, no aby zodpovedal pozorovaniam, vyžaduje presné jemné ladenie parametrov. Práve to z neho robí menej presvedčivú možnosť v porovnaní so scenárom extra dimenzie, kde podobné dôsledky vznikajú prirodzene.
Aj preto autori pripúšťajú, že pri porovnaní s dostupnými pozorovaniami vychádza presvedčivejšie scenár extra dimenzie, ktorý rozpracovali Ignatios Antoniadis a Dieter Lüst. Nie preto, že by pôsobil krajšie na papieri, ale preto, že sa zaobíde bez množstva dodatočných výnimiek.
Prečo malé a veľké škály nemusia byť oddelené
Celý argument autorov stojí na jednom menej známom, no dôležitom jave: prepojení medzi fyzikou veľmi malých a veľmi veľkých škál. Vo fyzike sa preň používa pojem UV/IR mixing.
Za normálnych okolností tieto oblasti držíme striktne oddelené. Fyzika častíc rieši extrémne malé vzdialenosti a vysoké energie, kozmológia sa zaoberá správaním vesmíru ako celku. Väčšinou sa predpokladá, že jedno druhé priamo neovplyvňuje.
Podľa autorov to však pri kvantovej gravitácii neplatí. Ak je temná energia extrémne malá, znamená to, že samotná teória má nízku hornú hranicu platnosti. A to má konkrétny dôsledok a to, že v systéme sa musia objaviť nové, veľmi ľahké stavy, ktoré by sme v bežnej efektívnej teórii vôbec nečakali.
Podstatné je, že tento vzťah vychádza presne na hranici toho, čo fyzikálne zákony ešte dovoľujú. Nie je hlboko pod nimi ani nad nimi, ale presne na hrane. Môže to byť náhoda, no v teoretickej fyzike sa takéto zhody zvyknú brať vážne.
Bežná efektívna teória poľa, teda nástroj, ktorým fyzika opisuje správanie častíc v obmedzenom rozsahu energií, na tento signál jednoducho nestačí. Nie preto, že by bola nesprávna, ale preto, že nebola navrhnutá na spájanie malých a kozmologických mierok.
Experiment ako rozhodca
Najcitlivejšia časť celej hypotézy prichádza pri experimentoch. Ak má existovať dodatočný priestorový rozmer s veľkosťou okolo mikrometra, gravitácia by sa mala na veľmi krátkych vzdialenostiach správať inak, než predpovedá Newtonov zákon.
Práve v tomto rozsahu dnes prebiehajú experimenty testujúce krátkodosahovú gravitáciu. Neznamená to, že máme dôkaz na dosah ruky. Znamená to len, že po dlhom čase existuje konkrétna a overiteľná predpoveď.
Autori sú v záveroch opatrní. Pripúšťajú, že ich výsledky stoja na všeobecných predpokladoch a že existujú aj alternatívne scenáre, ktoré by sa dali zachrániť jemným ladením parametrov.
Zároveň upozorňujú, že experimenty v tejto oblasti sú technicky náročné a náchylné na systematické chyby. Práve tu sa rozhodne, či ide o správny smer. Buď sa v správaní gravitácie na krátkych vzdialenostiach objaví niečo nové, alebo sa ukáže, že ide len o ďalší teoretický rámec, ktorý realita nepotvrdí.
V každom prípade však temná energia prestáva byť len vzdialeným kozmologickým číslom. Mení sa na praktický test toho, či naše predstavy o hlbšej štruktúre reality majú reálne fyzikálne dôsledky, alebo zostanú len na papieri.
