Силата, която държи атомите заедно, може би разкъсва Вселената

Това, което човечеството е научило за космоса в рамките на едва последния век, е трудно да бъде преувеличено. Преди малко повече от сто години американският астроном Едуин Хъбъл използва 254-сантиметровия (100-инчов) телескоп „Хукър“ в калифорнийската обсерватория „Маунт Уилсън“, за да идентифицира цефеида – вид променлива звезда, разположена далеч извън нашия Млечен път, в галактиката Андромеда. Шест години по-късно Хъбъл улавя и нещо още по-озадачаващо: известната ни Вселена, която в съзнанието на учените вече расте с всяка изминала година, буквално се разширява.

Но това далеч не беше краят на тези зашеметяващи разкрития. През 1998 г. два независими екипа от астрономи потвърдиха, че разширението, което Хъбъл е открил, всъщност се ускорява с времето. Изследвайки тези две концепции, учените разработиха константата на Хъбъл, която измерва текущата скорост на разширяване, и космологичната константа – теоретично предсказание за свойствата на пространството-времето, което обяснява това ускорение.

Алберт Айнщайн пръв въвежда идеята за космологичната константа още през 1917 г. Днес тя е крайъгълният камък на модела „Ламбда-студена тъмна материя“ (ΛCDM) – нашата настояща най-добра теория за това как функционира Вселената. В този космологичен модел космологичната константа представлява мистериозна тъмна енергия, която прониква в цялото пространство и задвижва ускоряващото се разширяване на Вселената, докато студената тъмна материя обяснява невидимата маса, оформяща едромащабната структура на галактиките.

Проблемът с космологичната константа

Въпреки че теорията ΛCDM се е доказала като изключително успешна при описването на редица космологични наблюдения, тя има някои сериозни недостатъци. Най-очевидният и умопомрачителен сред тях е известен сред физиците като „проблемът с космологичната константа“.

Накратко, квантовите полеви теории предсказват, че плътността на енергията на вакуума трябва да надвишава това, което реално наблюдаваме в космоса, с приблизително 120 порядъка. Това е колосално разминаване от порядъка на 10^120 пъти – число, което представлява една изключително сериозна математическа несъответственост.

Тези изчисления подтикват учените да търсят напълно нови и различни идеи. Една от тях, публикувана в научното списание Universe, поставя изненадващ въпрос: дали механиката зад силното ядрено взаимодействие – фундаменталната сила, която държи атомите заедно и е една от четирите основни сили в природата – не играе много по-голяма роля в еволюцията на Вселената, отколкото науката е предполагала досега?

„Резултатите от Спектроскопичния инструмент за тъмна енергия (DESI) загатват за отклонения от чистото ΛCDM разширение, фаворизирайки сценарии с леко динамичен компонент на тъмната енергия“, пишат авторите в своето изследване. „Този продължаващ дебат подчертава необходимостта от нови перспективи, стъпили върху добре установена физика.“

Нов поглед през призмата на квантовата хромодинамика

Тази нова научна перспектива свързва скоростта на разширяване на Вселената с царството на квантовата хромодинамика (QCD) – широкообхватната теория за това как кварките и глуоните формират протони и неутрони. По-конкретно, проучването се фокусира върху концепцията, известна като „затваряне на кварките“ (quark confinement). Този физичен феномен означава, че кварките и глуоните никога не могат да бъдат открити в изолирано състояние в природата; те са вечно и неразривно свързани помежду си, за да образуват различните адрони.

Използвайки специфичен модел от ядрената теория, наречен модел на Поляков–Намбу–Джона-Лазинио (Polyakov–Nambu–Jona-Lasinio), авторите на изследването успяват теоретично да свържат вакуума на квантовата хромодинамика със скоростта, с която Вселената се разширява. Те откриват, че общият кумулативен ефект от това микроскопично взаимодействие поразително имитира макроскопичното поведение на тъмната енергия.

Учените обясняват, че квантовата хромодинамика, в ролята си на калибровъчна теория на силното ядрено взаимодействие, управлява поведението на силно взаимодействащата материя и се отличава с богата вакуумна структура. Тази структура се оформя от феномени като затварянето на кварките и спонтанното нарушаване на хиралната симетрия. Според тяхната теза, разширяването на Вселената би могло пряко да повлияе върху структурата на този специфичен вакуум, което на свой ред потенциално индуцира ефективен принос към силите, които раздалечават космоса.

Тестване на теорията с реални космически обекти

Неудовлетворени само от чистите теоретични разсъждения, членовете на научния екип веднага тестват тази нова математическа рамка срещу реални космологични обекти с ниско червено отместване. Сред тях влизат:

Далечни и ярки квазари; Водородни галактики от тип H-II (изключително ценни за изучаване на мащабната структура на ранната Вселена); Супернови от тип Ia – добре известните на астрономите „стандартни свещи“, които се използват като еталон за измерване на огромни вселенски разстояния.

Използвайки напреднали байесови статистически методи за анализ на събраните данни, екипът открива, че стойността на техния нов експонент (който те наричат с променливата „d“) се доближава изключително близо до нулата. Това статистическо съвпадение подсказва, че новият модел много точно съответства на реално наблюдаемата Вселена и напълно улавя нейните динамики.

Разбира се, тази базирана на силното ядрено взаимодействие алтернатива на традиционния модел ΛCDM е само една от многото подобни теории, които се борят да обяснят енигмата на тъмната енергия. За да разберат какво точно се случва в действителност, астрофизиците се нуждаят от още по-огромни обеми от свръхпрецизни наблюдения.

За щастие, новото поколение високотехнологични обсерватории, сред които космическият телескоп „Евклид“ (Euclid) на Европейската космическа агенция и наземната обсерватория „Вера С. Рубин“ (Vera C. Rubin Observatory), са проектирани специално с цел да извършват хипер-точни измервания на вселенското разширение. „Лепилото“, което държи атомите заедно на най-микроскопично ниво, може да се окаже същата онази сила, отговорна за разкъсването на Вселената в най-големите мащаби – и благодарение на новите технологии, много скоро може да разберем отговора със сигурност.