ενέργεια (28 άρθρα)

Οι φυσικοί έχουν εφεύρει δύο τύπους μυστηριωδών εννοιών: την σκοτεινή ενέργεια και την σκοτεινή ύλη. Και δεν τα ονομάζουν έτσι, μόνο και μόνο επειδή τους αρέσει το «σκοτάδι», αλλά γιατί στην πραγματικότητα δεν έχουν ιδέα από που προέρχονται και από τι συνίστανται. Χρειάζονται όμως αναγκαστικά την έννοια της σκοτεινής ενέργειας για να αποδώσουν σε κάποια αιτία την επιταταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, όπως και την έννοια της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν γιατί οι γαλαξίες που περιστρέφονται αρκετά γρήγορα δεν διαλύονται εξαιτίας των φυγόκεντρων δυνάμεων. Η ιδέα ότι αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια απλώς δεν διατηρείται και προέρχεται από το πουθενά είναι αρκετά ελκυστική. Το ερώτημα είναι αν αυτό παραβιάζει την θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν;

Η ενέργεια μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί κάθε φορά που ο ίδιος ο χώρος μεταβάλλεται με τον χρόνο. Για παράδειγμα, έστω ότι σε ένα μέρος του χώρου περιέχονται κβάντα φωτός (φωτόνια). Τα φωτόνια αντιστοιχούν σε ένα μήκος κύματος λ από το οποίο εξαρτάται η ενέργειά τους: . Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μικρότερη είναι η ενέργεια του φωτονίου. Αν έχουμε Ν φωτόνια τότε η συνολική ενέργειά τους θα είναι: Aς φανταστούμε τον χώρο – το κουτί – που περιέχει τα Ν φωτόνια να διαστέλλεται. Θα έχουμε τον ίδιο αριθμό φωτονίων, αλλά τώρα το μήκος κύματός τους θα είναι μεγαλύτερο και επομένως η ενέργειά τους είναι μικρότερη. Δηλαδή, η συνολική ενέργεια μειώθηκε. Πού πήγε; Δεν πήγε πουθενά, απλά δεν διατηρήθηκε. Κι αυτό δεν είναι απλά μια θεωρία. Συμφωνεί με τις παρατηρήσεις. Η μη διατήρηση ενέργειας των φωτονίων στο διαστελλόμενο σύμπαν είναι ο λόγος που η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου αντιστοιχεί σήμερα στα μεγάλα μήκη κύματος της μικροκυματικής αντινοβολίας.

Επομένως (*), η ενέργεια δεν διατηρείται εφόσον ο χώρος μπορεί να τεντωθεί και να συρρικνωθεί, κάτι που συμβαίνει στη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, στη θεωρία του Αϊνστάιν έχουμε μια πιο περίπλοκη σχέση για την ενέργεια. Η οποία στην ουσία λέει ότι αν η ενέργεια δεν διατηρείται, αυτό συμβαίνει επειδή ο χώρος μεταβάλλεται με τον χρόνο. Η μεταβολή στην ενέργεια πρέπει να συμβαδίζει με την μεταβολή του χώρου. Στην στριφνή ορολογία της γενικής σχετικότητας ονομάζεται νόμος συναλλοίωτης διατήρησης του τανυστή ενέργειας-ορμής, αλλά για απλότητα ας το πούμε γενικευμένη διατήρηση της ενέργειας.

Θα μπορούσαμε διαμέσου αυτής της γενικευμένης διατήρησης ενέργειας να εξηγήσουμε την σκοτεινή ύλη και την σκοτεινή ενέργεια; Η σύντομη απάντηση είναι όχι. Κι αυτό γιατί στη θεωρία του Αϊνστάιν, αυτή η γενικευμένη διατήρηση ενέργειας ικανοποιείται αυτόματα. Είναι μια μαθηματική ταυτότητα. Είναι πάντα αληθής, αρκεί να χρησιμοποιήσουμε τη θεωρία του. Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι κάθε προσπάθεια απόρριψης της γενικευμένης διατήρησης ενέργειας έχει ως συνέπεια να εμφανίζεται μια νέα συνεισφορά στις εξισώσεις που αναπληρώνει την αναντιστοιχία. Κι αυτή η νέα συνεισφορά, μπορεί να μοιάζει με σκοτεινή ενέργεια, μπορεί να μοιάζει με σκοτεινή ύλη, αλλά δεν είναι κάτι καινούργιο. Είναι μαθηματικά το ίδιο πράγμα, απλά ερμηνεύεται διαφορετικά. Aυτό είναι το αντικείμενο της πρόσφατης δημοσίευσης του φυσικού H. R. Fazlollahi με τίτλο «Non-conserved modified gravity theory» .

Ο Fazlollahi χρησιμοποιεί αυτήν την προσέγγιση της μη διατήρησης της ενέργειας για να καταλήξει σε συγκεκριμένες πειραματικές προβλέψεις που μπορούν αναζητηθούν στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Το ζήτημα είναι ότι ακόμα κι αν αυτή η πρόβλεψη αποδειχτεί σωστή, υπάρχουν περίπου εκατό άλλα θεωρητικά μοντέλα που δίνουν την ίδια πρόβλεψη …

Για περισσότερες λεπτομέρειες παρακολουθείστε το βίντεο της Sabine Hossenfelder που ακολουθεί:

(*) Η μη διατήρηση της ενέργειας των φωτονίων του κοσμικού υποβάθρου κατά την διαστολή του σύμπαντος περιγράφεται με γλαφυρό τρόπο με την έκφραση «τα φωτόνια κρυώνουν όσο το σύμπαν διαστέλλεται», στο κλασικό βιβλίο του Βασίλη Ξανθόπούλου, ‘Περί Αστέρων και Συμπάντων’, ΠΕΚ, 1987:
«Την εποχή t 500.000 χρόνια η θερμοκρασία ήταν T 3.000K. To σύμπαν ήταν 1000 φορές μικρότερο απ’ ότι σήμερα (δηλαδή η απόσταση μεταξύ δυο τυχαίων σημείων του ήταν 1000 φορές μικρότερη απ’ ότι είναι σήμερα). Πριν από τη θερμοκρασία αυτή, η ύλη ήταν αρκετά ιοντισμένη, αποτελούμενη ως επί το πλείστον από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα υδρογόνου και ηλίου. Τα φωτόνια αντιδρούσαν με τα φορτισμένα αυτά σωματίδια και η ζωή τους ήταν γεμάτη από συνεχείς απορροφήσεις και επανεκπομπές. Το σύμπαν ήταν αδιαφανές στα φωτόνια, τα οποία λόγω των συνεχών αλληλεπιδράσεων, βρίσκονταν σε θερμική ισορροπία με την ύλη. Σε θερμοκρασία Τ3.000K τα ηλεκτρόνια ενώθηκαν με τα ιόντα και σχημάτισαν ουδέτερους πυρήνες. Έκτοτε το σύμπαν έγινε διαπερατό (διαφανές) στα φωτόνια, τα οποία επηρεάζονται, πλέον, μόνον από τον χώρο αλλά όχι κι από την ύλη του. Λέμε ότι για Τ 3.000K η ύλη διαχωρίζεται (decouples) από την ακτινοβολία ή ότι τα φωτόνια υφίστανται την τελευταία τους σκέδαση (last scattering).
Λόγω της διαστολής του σύμπαντος, από την τελευταία τους σκέδαση και μετά, τα φωτόνια «κρυώνουν». Για να καταλάβουμε το φαινόμενο αυτό, φανταζόμαστε ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που δεν είναι τίποτε άλλο από φωτόνια, σχηματίζει στάσιμα κύματα μέσα σε κάποιο χώρο με γραμμική διάσταση d. Τότε ισχύει nλ=2d, όπου λ είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και n ένας ακέραιος αριθμός.
Έστω ότι από τότε οι διαστάσεις του σύμπαντος έχουν αυξηθεί, λόγω της διαστολής του, κατά έναν παράγοντα δ, τότε το d της προηγούμενης σχέσης αυξήθηκε κι αυτό κατά τον παράγοντα δ, και επειδή ο αριθμός των στάσιμων κυμάτων n παραμένει σταθερός, το μήκος κύματος λ πρέπει να αυξηθεί κι αυτό κατά τον ίδιο παράγοντα. Αύξηση, όμως, του μήκους κύματος συνεπάγεται ελάττωση της συχνότητας f της ακτινοβολίας, κατά τον ίδιο παράγοντα δ. Επειδή η ενέργεια του φωτονίου είναι hf, όπου h η σταθερά του Planck, και η ισοδύναμή του θερμοκρασία Τ θα είναι T=hf/k, όπου k η σταθερά του Boltzmann, βρίσκουμε ότι η ενέργεια και η θερμοκρασία του φωτονίου ελαττώνονται κατά τον παράγοντα δ της διαστολής του σύμπαντος. Όσο το σύμπαν θα διαστέλλεται, τα φωτόνια θα κρυώνουν.
Εφόσον από την εποχή της τελευταίας σκέδασης του φωτός μέχρι σήμερα το σύμπαν έχει μεγαλώσει κατά 1000 φορές, η θερμοκρασία των φωτονίων, αντίστοιχα, έχει ελαττωθεί κατά 1000 φορές περίπου. Αυτή την ακτινοβολία, που συνεχώς κρυώνει, την παρατηρούμε σήμερα ως ακτινοβολία μικροκυμάτων των 3 Κ. Πρόκειται για κοσμική ακτινοβολία, που γεμίζει όλο το σύμπαν, και παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1965 από τους Penzias και Wilson.»

ΠΗΓΗ