Tamna energija, naziv za nepoznati uzrok ubrzanog širenja svemira, možda uopće ne mora biti zasebna tvar. Prema novom teorijskom modelu, kozmičko ubrzanje moglo bi se prirodno pojaviti kada se kvantnomehanička neodređenost primijeni na veličinu svemira i brzinu njegova širenja. Ako se ideja potvrdi, jedan od najvećih problema moderne kozmologije pokazao bi se kao makroskopski trag kvantne gravitacije u samoj geometriji prostora, bez skrivenih čestica i egzotičnih polja.
Model je razvio Savvas M. Koushiappas, fizičar sa Sveučilišta Brown. U radu objavljenom u časopisu Physical Review D predlaže da veličinu svemira i brzinu kojom se ona mijenja nije moguće istodobno odrediti s proizvoljno velikom preciznošću. Ta bi temeljna granica neznatno promijenila jednadžbe kozmičkog širenja, ali bi se njezin učinak tijekom milijardi godina mogao pojačati dovoljno da oponaša tamnu energiju.
Ideja je privlačna zato što pokušava povezati dva naizgled odvojena problema. Kvantna gravitacija trebala bi opisati kako se prostor i vrijeme ponašaju kada kvantni učinci postanu važni, dok se tamna energija očituje na najvećim kozmičkim udaljenostima. Koushiappasov model tvrdi da bi upravo ta dva ekstrema mogla biti dio iste fizike.
Kvantna neodređenost na razini cijelog svemira
U kvantnoj mehanici postoje parovi veličina koje nije moguće istodobno poznavati s neograničenom preciznošću. Najpoznatiji su položaj i količina gibanja čestice. Što se točnije odredi jedna veličina, to veća postaje neodređenost druge.
Koushiappas sličan odnos uvodi u kozmologiju. Jedna je veličina faktor skale, broj kojim fizičari opisuju kako se veličina svemira mijenjala kroz vrijeme. Druga je brzina promjene tog faktora, odnosno mjera kozmičkog širenja. U novom modelu te dvije veličine ne ponašaju se kao potpuno neovisni klasični brojevi, nego među njima postoji kvantna granica preciznosti.
Ta promjena dodaje geometrijsku korekciju Friedmannovoj jednadžbi, temeljnom opisu razvoja svemira. Razlika je važna: u standardnom kozmološkom modelu ubrzanje se obično pripisuje kozmološkoj konstanti, komponenti koja pripada energetskom sadržaju svemira. U ovom prijedlogu ubrzanje proizlazi iz izmijenjene geometrijske strane jednadžbe. Tamna energija zato ne bi bila nova tvar, nego posljedica načina na koji kvantizirani prostor dopušta svemiru da se širi.
Takva mogućnost stiže u trenutku kada opažanja ponovno otvaraju pitanje ponaša li se tamna energija doista kao savršeno stalna kozmološka konstanta. Kozmos je nedavno pisao o novoj analizi prema kojoj se širenje svemira ipak ne usporava, ali i o rezultatima koji upućuju na to da se tamna energija možda mijenjala kroz kozmičku povijest. Te se rasprave još ne mogu smatrati zaključenima, no pokazuju koliko su precizna mjerenja širenja postala važna.
Kvantna gravitacija bez Planckove skale
Većina ideja o kvantnoj gravitaciji njezine učinke smješta blizu Planckove duljine, nezamislivo male skale na kojoj bi klasičan opis prostor-vremena trebao prestati vrijediti. Novi model dopušta drukčiji scenarij: korekcija bi postala vidljiva na skali kozmološkog horizonta, najvećim mjerilima na kojima se razvoj svemira može povezati s njegovom geometrijom.
Za pozitivne vrijednosti ključnog parametra model proizvodi kasno kozmičko ubrzanje i jednadžbu stanja tamne energije malo drukčiju od vrijednosti koju predviđa kozmološka konstanta. Posljedica je prepoznatljiv, iako vrlo malen, pomak u načinu na koji se Hubbleova stopa mijenja s crvenim pomakom. Upravo tu povijest širenja mjere veliki spektroskopski pregledi poput DESI-ja, koji izrađuje najveću trodimenzionalnu kartu svemira.
Matematički okvir ima i drugi mogući ishod. Za dovoljno negativnu vrijednost istog parametra početna singularnost može biti zamijenjena odskokom: svemir bi se najprije sažimao, dosegnuo najmanju, ali konačnu veličinu, a zatim počeo širiti. To nije isto rješenje koje u modelu proizvodi današnje ubrzanje, nego drugo područje njegovih parametara. Ipak, pokazuje da jedna vrsta kvantne geometrijske korekcije može bitno promijeniti i najraniju i najkasniju kozmičku povijest.
Mjerenja moraju postati preciznija
Današnji podatci još ne daju prednost ovom modelu pred standardnom kozmologijom. Koushiappas procjenjuje da su predviđena odstupanja u stopi širenja više od deset puta manja od pogrešaka takozvanih kozmičkih kronometara te ispod sadašnje preciznosti mjerenja barionskih akustičnih oscilacija. Drugim riječima, model je konstruiran tako da prolazi postojeće provjere, ali se zasad ne može reći opisuje li prirodu bolje od kozmološke konstante.
Prijedlog također ne rješava poznati problem kozmološke konstante — golemi raskorak između energije vakuuma koju predviđa kvantna teorija i vrijednosti izvedene iz opažanja. Umjesto toga otvara novo pitanje: zašto bi skala na kojoj kvantna korekcija postaje važna bila povezana baš s današnjim kozmološkim horizontom? Potpunija teorija morala bi objasniti taj prijelaz i pokazati kako model utječe na nastanak i rast kozmičkih struktura, a ne samo na prosječnu brzinu širenja.
Odgovor bi mogli donijeti završni petogodišnji skup podataka projekta DESI i mjerenja europskog svemirskog teleskopa Euclid. Koushiappas navodi da bi preciznost bolja od jedan posto mogla razdvojiti njegovu krivulju širenja od standardnog modela. Ako buduća mjerenja otkriju upravo takav obrazac, tamna energija više ne bi bila samo naziv za nepoznati sastojak svemira. Postala bi prvi mogući opažački trag da i prostor na najvećim skalama nosi kvantna svojstva.
