ბნელი ენერგია

ბნელი ენერგიის არსზე ჯერ კიდევ კამათი მიმდინარეობს. ცნობილია, რომ თანაბრადაა განაწილებული სამყაროში, აქვს ძალიან დაბალი სიმკვრივე (10−29 გრ/სმ3) და არ შედის ჩვეულებრივ ნივთიერებასთან ურთიერთქმედებაში, გარდა გრავიტაციულისა, ამიტომ ლაბორატორიულ პირობებშიც ძნელი იქნება მისი აღმოჩენა. ასეთი ღრმა ზემოქმედება სამყაროზე, ბნელი ენერგიის მიერ სივრცეების ერთგვაროვანი და ყოვლისმომცველი შევსებით აიხსნება.

 დაახლოებით 5 მილიარდი წლის მერე სამყარომ ისეთი ზომა მიიღო, რომ გრავიტაცია ანუ მიზიდულობა, მისმა საწინააღმდეგო ძალამ გადაძლია და სამყარომ უკვე თანაბარი გაფართოების ნაცვლად აჩქარებული გაფართოება დაიწყო. ამას მოწმობს შორეულ გალაქტიკებში ზეახალი ვარსკვლავების აფეთქებებზე დაკვირვება. Ia ტიპის ზეახალი ვარსკვლავების ევოლუცია ზუსტად არის შესწავლილი, ამიტომ წინასწარ შეიძლება განისაზღვროს, თუ როგორი იქნება მოცემულ მანძილზე აფეთქების სიკაშკაშე. დაკვირვებები გვიჩვენებს, რომ შორეულ გალაქტიკებში ასეთი აფეთქებების სიკაშკაშე დაბალია და არ ემთხვევა გამოთვლებს (სხივმა განიცადა მნიშვნელოვანი წითელი წანაცვლება, ეს იმაზე მეტყველებს, რომ სინათლის წყარო  გვშორდება), ანუ გალაქტიკები იმაზე შორს დაგვცილდა, ვიდრე ნავარაუდევი იყო. თუ ასე გაგრძელდა, სამყაროს გაფართოების რაღაც ეტაპზე, გალაქტიკები ისე დაშორდება ერთმანეთს, რომ ფარდობითი სიჩქარე სინათლისაზე მეტი გახდება და მათი დანახვა შეუძლებელი იქნება.

 თუ ბნელი ენერგიის ძალა დროთა განმავლობაში განეიტრალდა, მაშინ გრავიტაცია დაიწყებს მატერიის უკან მიზიდვას და სამყარო ისევ ერთ წერტილში მოიყრის თავს.თუ ბნელმა ენერგიამ გაანეიტრალა ყველა სხვა ძალა, მაშინ ის გახლეჩს გალაქტიკებს, შემდეგ, გადაძლევს ელექტრულ და ატომურ ძალებსაც და საბოლოოდ გაანადგურებს სამყაროს, ანუ მოხდება ე.წ. ”დიდი გახლეჩა”. 

კოსმოსის მიკროტალღური გამოსხივება, იგივე რელიქტური გამოსხივება, არის გამოძახილი დიდი აფეთქებისა, რომელიც 13,8 მილიარდი წლის წინათ მოხდა. სამყაროს გაფართოებასთან ერთად, გამოსხივება ენერგიას კარგავდა და ცივდებოდა. დროის იმ მონაკვეთს , რომელსაც “რეკომბინაცია” ეწოდება, გაცივება კიდევ უფრო სწრაფად ხდებოდა და ჩნდებოდა პირველი ელექტრონები და  ბირთვები, თავის მხრივ, ეს ნაწილაკები ატომებს ქმნიდა. იმ დროისათვის სინათლე მჭიდროდ იყო დაკავშირებული პლაზმასთან, სამყაროს გაფართოებასთან ერთად სინათლე გამოეყო ამ საერთო მასას და დაიწყო თავისუფლად გავრცელება სამყაროში (ანუ სამყარო გამჭვირვალე გახდა). კოსმოსის გაფართოებამ და გაცივებამ ამ განთავისუფლებული პირველადი გამოსხივების დიაპაზონი მიკროტალღურში გადაწია (ანუ გამოსხივებამ დაკარგა ენერგია). სწორედ მისია WMAP-ის (აქამდე მას იკვლევდა კოსმოსური თანამგზავრი COBE, თუმცა მისი აპარატურა უფრო ნაკლებად მგრძნობიარე იყო) საშუალებით გახდა შესაძლებელი ამ გამოსხივების პრაქტიკული დასაბუთება. აპარატის მიმღები მოწყობილობა თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე იყო გაცივებული, რადგან მიკროტალღური გამოსხივების ტემპერატურა აბსოლუტურ ნულზე ცოტა მეტია. WMAP-მა საშუალება მოგვცა ისე წარმოგვედგინა სამყარო, როგორც სურათზე ვხედავთ.

 (cobe).ასეთია აპარატის “თვალით” დანახული სამყაროს რელიქტური გამოსხივებით შედგენილი რუკა. შუა წითელი ნაწილი ჩვენივე გალაქტიკის სიბრტყეა. გალაქტიკაში მილიარდობით ვარსკვლავია, ანუ ტემპერატურა მაღალია და წითელი ფერიც ამის მაჩვენებელია.

 (wmap). ფერებით ნაჩვენებია გადახრა საშუალო ტემპერატურიდან (2,75 გრადუსი აბსოლუტურ ნულს მაღლა): წითელი ადგილები უფრო თბილია, ცისფერი კი დაახლოებით 0,0002 გრადუსით ცივი. როგორც ვხდავთ, რელიქტური გამოსხივება არათანაბრადაა განაწილებული, რაც საშუალებას გვაძლევს გავიგოთ თუ როგორი აღნაგობა აქვს სამყაროს მის სხვადასხვა ნაწილში, როგორია თანაფარდობა მატერიისა და ენერგიის განაწილებაში, სამყაროს ასაკი, მანძილები ობიექტებამდე და სხვა კიდევ ბევრი მონაცემი (ილუსტრაცია WMAP Science Team).

 სამყაროს სურათი პლანკის სახელობის (ESA) კოსმოსურმა ობსერვატორიამაც გადაიღო. სხვა მონაცემებთან ერთად, მისიამ უნდა გაარკვიოს ფართოვდებოდა თუ არა სამყარო დიდი აფეთქებისთანავე (ინფლაციის ეპოქა, 10-38 _ 10-36 წმ.) სინათლის სხივის სიჩქარეზე მეტი სიჩქარით, რის გამოც წყვილ-წყვილად წარმოქმნილი ვირტუალური ნაწილაკები და ანტინაწილაკები ისეთ მანძილზე დაშორდნენ ერთმანეთს, რომ რეალურ ნაწილაკებად მოასწრეს ჩამოყალიბება. თეორიულად, ეს ფაქტი, ხსნის აგრეთვე სამყაროს შორეულ რეგიონებს შორის მსგავსებას. ინფლაციურ გაფართოებემდე არეები, რომლებიც ახლა ასე შორს არის ერთმანეთისაგან, მაშინ ძალიან ახლოს იყო და ერთნაირი თვისებები ჰქონდა. ეს არ ეწინააღმდეგება ფიზიკის კანონებს, რადგან ინფლაციის პერიოდში სინათლის სიჩქარეზე მეტი სიჩქარით არაფერი მოძრაობდა, მხოლოდ სივრცე ფართოვდებოდა.

წინა საუკუნის დასაწყისში ალბერტ აინშტაინმა ფარდობითობის ზოგად თეორიაში, დროისგან დამოუკიდებელი სიდიდე შემოიღო – ე.წ. კოსმოლოგიური მუდმივა, რომელიც აღნიშნა ბერძნული ასო „ლამბდათი“-Λ. Λ იყო ფორმალური კონსტანტა, რომელშიც აინშტაინი ვერავითარ ფიზიკურ აზრს ვერ ხედავდა.

 მას შემდეგ რაც სამყაროს გაფართოება აღმოაჩინეს, ამ მუდმივას ცნებამ აზრი დაკარგა. აინშტაინი ძალიან ნანობდა თავის ნაჩქარევ გადაწყვეტილებას და Λ-ას მის ყველაზე დიდ მეცნიერულ შეცდომად თვლიდა. თუმცა, ათწლეულების გასვლის მერე გაირკვა, რომ ჰაბლის მუდმივა, რომელიც სამყაროს გაფართოების ტემპს ადგენს, დროში იცვლება, ამასთან ერთად მისი დამოკიდებულება დროზე, ზუსტად იმ აინშტაინისეული „მცდარი“ მუდმივას შერჩევით შეიძლება აიხსნას, რომელსაც წვლილი შეაქვს სამყაროს დამალულ სიმკვრივეში. დამალული მასის სწორედ ამ ნაწილს შეარქვეს „ბნელი ენერგია“.

 ბნელ ენერგიაზე კიდევ უფრო ნაკლებია ცნობილი, ვიდრე ბნელ მატერიაზე. პირველ რიგში, ის ერთგვაროვნადაა განაწილებული სამყაროში, ჩვეულებრივი და ბნელი მატერიის სხვადასხვა ფორმებისგან განსხვავებით. გალაქტიკებსა და მათ გროვებში ის იმდენივეა, რამდენიც მათ ფარგლებს გარეთ. მეორე ისაა, რომ ბნელ ენერგიას გააჩნია საკმაოდ უცნაური თვისებები, რომელთა გაგება, მხოლოდ ფარდობითობის თეორიის განტოლებებითა და მათი ამონახსნების ინტერპრეტირებით შეიძლება. მაგალითად, ბნელი ენერგია გრავიტაციას ეწინააღმდეგება: მისი არსებობის გამო სამყაროს გაფართოების სიჩქარე იზრდება. ბნელი ენერგია თითქოს თავის თავს გაურბის, რაც გალაქტიკებისა და მათში დაგროვილი მატერიის აჩქარებულ გადაადგილებასაც იწვევს. კიდევ, ამ ენერგიას გააჩნია უარყოფითი წნევა, რის გამოც ნივთიერებაში ჩნდება ძალა, რომელიც მის გაწელვას ეწინააღმდეგება.

 მთავარი კანდიდატურა ბნელი ენერგიის როლზე – ვაკუუმია. ვაკუუმის სიმკვრივე სამყაროს გაფართოებასთან ერთად არ იცვლება, რაც უარყოფითი წნევის მაჩვენებელია. კიდევ ერთი კანდიდატია ჰიპოთეტური ზესუსტი ველი, სახელად – კვინტესსენცია. ბნელი ენერგიის გამოცანის ამოხსნა, ალბათ, შემდგომი ასტრონომიული დაკვირვებებით თუ მოხდება. ამ საკითხში წინსვლა, უეჭველად, კაცობრიობას რადიკალურად განსხვავებულ ახალ ცოდნას შესძენს, რადგან ბნელი ენერგია, ყველა შემთხვევაში, ძალიან უცნაური სუბსტანციაა, აბსოლუტურდ განსხვავებული იმისგან, რასთანაც აქამდე შეხება ქონია თანამედროვე ფიზიკას.

 სამყაროს შემადგენელის 95%(იგულისხმება ბნელი მატერიაც)-ზე ჩვენ ძალიან ცოტა ვიცით. ამ ფაქტის არსებობას სხვადასხვა ნაირად შეგვიძლია მივუდგეთ. მან შეიძლება აგვაფორიაქოს, როგორც რაიმე გაურკვეველთან შეხებისას გვემართება ხოლმე. ან შეიძლება დაგვამწუხროს, ასეთი გრძელი და ძნელად გავლილი გზა ფიზიკური თეორიის შექმნისათვის, რომელმაც მიგვიყვანა კონსტატაციამდე: სამყაროს დიდი ნაწილი ჩვენთვის დამალული და უცნობია.

 ფიზიკოსები, რა თქმა უნდა, ფარხმალს არ ყრიან. გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ყველა გამოცანა, რომელიც ბუნებაში არსებობს, ადრე თუ გვიან მაინც ამოიხსნება. ამოიხსნება ბნელი ენერგიის გამოცანაც. ამონახსნი, ალბათ, ახალ ცოდნასა და ცნებებს მოიტანს, რომელთა შესახებაც ჩვენ წარმოდგენა არა გვაქვს. შესაძლებელია ამ ახალმა ცოდნამ კიდევ უფრო რთული გამოცანების წინაშე დაგვაყენოს, თუმცა ეს იქნება სულ სხვა ისტორია.

სამყარო აჩქარებით ფართოვდება, თითქოსდა რაღაც უხილავი ძალა, როგორც ბუშტს, შიგნიდან აფართოებს მას. ეს ძალა, იგივე ”ბნელი ენერგია”, ასტროფიზიკის ერთ-ერთ ყველაზე უფრო დიდ საიდუმლოდ რჩება. თეორეტიკოსთა ტრიო გვიმტკიცებს, რომ ეს ძალა საკმაოდ უჩვეულო წყაროდან ჩნდება. რაც არ უნდა ცუდად ჟღერდეს, მათი აზრით ეს ჩვენს მიერ სკოლაში ნასწავლი ფიზიკის საფუძვლებს ეწინააღმდეგება: სამყაროს საერთო ენერგია არ არის უცვლელი, ის შეიძლება თანდათან გაქრეს (მოკლედ – მატერია – ენერგია).

  მეცნიერთა აზრით, ბნელი ენერგია განსაკუთრებული ველი შეიძლება იყოს, ელექტრულის მსგავსი, რომელიც მთელ სივრცეს ავსებს. მეორეს მხრივ, თვით კოსმოსის ნაწილი შეიძლება იყოს, რომელსაც კოსმოლოგიურ მუდმივას უწოდებენ (ლამბდა წევრი – მოკლედ კოსმოლოგიური მოდელის შესახებ). სხვა ვერსია, თითქოსდა აინშტაინის ფარდობითობის თეორიას დასცინის. ამ თეორიის მიხედვით, გრავიტაცია მაშინ იჩენს თავს, როცა მასა და ენერგია, დრო-სივრცეს ამრუდებს. სინამდვილეში, კოსმოლოგიური მუდმივაც აინშტაინმა მოიგონა, კონსტანტას სახით ჩაამატა განტოლებებში, რათა აეხსნა, როგორ იცავს სამყარო თავის თავს დაშლისგან, საკუთარი გრავიტაციის ზემოქმედებით, უკან, ისევ ერთ წერტილში თავმოყრისგან (ე.წ. დიდი შეკუმშვა). თუმცა, ამ იდეაზე თვითონვე თქვა უარი, როცა წინა საუკუნის ოციანი წლებიდან ასტრონომებმა აღმოაჩინეს, რომ სამყარო არ არის სტატიკური, ყველა მიმართულებით ფართოვდება, როგორც ჩვეულებრივი აფეთქების დროს ხდება (ჰაბლის კანონი; ალბერტ აინშტაინი – დაკარგული ხელნაწერი).

 მოგვიანებით, გაირკვა, რომ ეს გაფართოება აჩქარებულია და კოსმოლოგიური მუდმივაც ისევ დაბრუნდა (ნობელის პრემია ბნელი ენერგიისგან). კვანტური მექანიკის მიხედვით, თვით ვაკუუმიც ვიბრირებს (ვაკუუმი: ორიგინალური და ყალბი). ფარდობითობის ზოგად თეორიაში ეს პატარა ფლუქტუაციები წარმოქმნის ენერგიას, რომელიც კოსმოლოგიური მუდმივის როლში შეიძლება გამოვიდეს. მიუხედავად ამისა, ყველაფრის გათვალისწინებით, ის გაცილებით ძლიერი უნდა იყოს, რომ სამყაროს განადგურება (ე.წ. დიდი გახლეჩა) მოახერხოს. კოსმოლოგიური მუდმივა არსებობს, მაგრამ რატომ არის ასეთი მოკრძალებული ფიზიკოსებისთვის გამოცანას წარმოადგენს. სანამ კოსმოლოგიურ მუდმივას შემოიღებდნენ, ფიზიკოსები უბრალოდ ვარაუდობდნენ, რომ რაღაც ჯერ კიდევ უცნობ ეფექტს ნულამდე დაყავს ის.

 თიბო ჯოზეთი, ალეხანდრო პერესი (უნივერსიტეტი ექს-მარსელი, საფრანგეთი) და დანიელ სუდარსკი (მექსიკის ნაციონალური ავტონომიური უნივერსიტეტი) ამტკიცებენ, რომ კოსმოლოგიური მუდმივას გონივრული მნიშვნელობის გამოყვანის საშუალებას მიაგნეს. მათ, აინშტაინის მიერ გამოგონილი უნიმოდულარული გრავიტაციით დაიწყეს. ფარდობითობის ზოგადი თეორია მათემატიკურ სიმეტრიას ვარაუდობს, ზოგად კოვარიანტულობას, რომლიდანაც გამომდინარეობს, რომ მიუხედავად იმისა თუ როგორ ადგენთ კოორდინატის დრო-სივრცულ პოზიციას, თეორიული წინასწარმეტყველება უცვლელი დარჩება. ეს სიმეტრია ენერგიისა და იმპულსის მუდმივობას მოითხოვს. უნიმოდულარული გრავიტაცია ამ მათემატიკური სიმეტრიის ყველაზე უფრო შეზღუდული ვერსიის მატარებელია.

 ეს სისტემა, ფარდობითობის ზოგადი თეორიის წინასწარმეტყველებათა დიდი ნაწილის აღმწარმოებელია, მაგრამ მის მიხედვით, ვაკუუმის კვანტური ფლუქტუაციები არც გრავიტაციას ქმნის და არც კოსმოლოგიურ მუდმივაზე ზემოქმედებს (რომელიც, საბოლოო ჯამში, მათემატიკური მუდმივაა და ნებისმიერი მნიშვნელობა შეიძლება ჰქონდეს). უნიმოდულარული გრავიტაცია არ მოითხოვს ენერგიის შენახვას, ამიტომ თეორეტიკოსებს მისი თვითნებური შეზღუდვა უწევთ.

 ხსენებული მეცნიერების აზრით, უნიმოდულარული გრავიტაცია, თუ მას ენერგიისა და იმპულსის მუდმივობის კანონის დარღვევის უფლებას მივცემთ, ფაქტიურად, უკვე მიღებულ მნიშვნელობას გვაძლევს. ეს არგუმენტი მათემატიკურია, მაგრამ პრაქტიკულად, სამყაროდან გამქრალი ენერგიის მცირე ნაწილიც კი დაატყობს კვალს კოსმოლოგიურ მუდმივას. ”ჩვენ მოდელში, ბნელი ენერგია არის რაოდენობა ენერგიისა და იმპულსისა, რომელიც სამყარომ თავისი არსებობის მანძილზე დაკარგა” – ამბობს პერესი. იმის დასამტკიცებლად, რომ თეორია ჭკუასთან ახლოა, მეცნიერებმა ორი სცენარი განიხილეს – რა გავლენას მოახდენს შენახვის კანონების დარღვევა კვანტურ მექანიკაზე. მაგალითად, უწყვეტი სპონტანური ლოკალიზაციის თეორია(CSL) ცდილობს ახსნას, როგორ შეიძლება იყოს ერთბაშად ორ ადგილას ისეთი ელემენტარული ნაწილაკი, როგორიც, მაგალითად, ელექტონია, ხოლო ისეთი დიდი ობიექტებისთვის, როგორიც არის მანქანები ან ადამიანები, ასეთი რამ შეუძლებელია. CSL ვარაუდით, ნივთიერების ასეთი მდგომარეობა სპონტანურად ჩნდება და ქრება დამოკიდებულებით, რომელიც ობიექტის მოცულობის გადიდებასთან ერთად იზრდება, ანუ დედამიწის პირობებში, დიდი ზომის ობიექტი ”ორადგილიანი” ვერ იქნება. ამ თეორიის ყველაზე დიდი მოწინააღმდეგე, ენერგიის შენახვის კანონია. თუმცა, თეორეტიკოსების მტკიცებით, ამ დარღვევების ჯამი ისეთია, როგორიც საჭირო მნიშვნელობის კოსმოლოგიურ კონსტანტას იძლევა.

 ზოგიერთი მეცნიერის თქმით, იდეის ავტორები მათემატიკით თამაშობენ. მათ უწინდებურად უნდა გაითვალისწინონ, რომ კოსმოლოგიური კონსტანტა რაღაც მცირე სიდიდიდან იწყება, თუმცა ამ ასპექტს ვერ ხსნის. თანამედროვე ფიზიკაში ისედაც ბევრი უჩვეულო კონსტანტაა, მაგალითად, ელექტრონის მუხტი ან სინათლის სიჩქარე, ასე რომ, ესეც კონსტანტათა ჩამონათვალის ნაწილი იქნება(ბნელი ეენრგია).