Астрономите са в малко затруднение, тъй като не могат да постигнат съгласие колко бързо се разширява Вселената. 

Откакто нашата Вселена се е появила от Големия взрив на мъничка частица с безкрайна плътност и гравитация, тя се разширява, но също не с постоянна скорост - разширяването на Вселената продължава да става все по-бързо. 

Но колко бързо се разширява е спорен въпрос. Измерванията на тази скорост на разширение от близките източници са в противоречие със същото измерване, взето от отдалечени източници. Едно от възможните обяснения е, че в общи линии във Вселената се е случило нещо, което е променило скоростта на разширяване. 

И един теоретик предложи да се въведе чисто нова частица и да промени бъдещата съдба на целия ни космос.

Един от начините за измерване на скоростта на разширяване на Вселената днес, чиято мярка е константата на Хъбъл (обозначавана като Ho), е да се разгледат близките пулсиращи звезди, наречени цефеиди, при които има ясна връзка между периода на пулсация и светимостта. Благодарение на това свойство учените могат да определят разстоянието до подобни звезди и да изчислят колко бързо се отдалечават от нас. Последно въз основа на последните наблюдения на 70 цефеиди в Големия Магеланов облак екип от астрономи успя да установи, че константата на Хъбъл е Ho = 74,03 km/s/Mpc (километра в секунда на мегапарсек (единица дължина в астрономията). Това означава, че за всеки 3,3 милиона светлинни години, отдалечавайки се във Вселената, една галактика се отдалечава от нас по-бързо с малко над 74 км/сек.

Стойността на константата на Хъбъл в ранната Вселена, преди около 13 милиарда години, от друга страна, се измерва по различен начин, а именно с помощта на европейската космическа обсерватория "Планк", която измерва космическото микровълново фоново излъчване, наричано и реликтово лъчение, CMB, остатък от Големия взрив. И тя бе определена преди няколко години на стойност Ho = 67.4 km/s/Mpc, което е с 9% по-бавно от сегашното разширение.

Тази разликата е реална и не е статистически шум.

Да погледнем към тъмната страна

Може би едното или двете измервания са погрешни или непълни. Но ако приемем, че и двете измервания са точни, тогава имаме нужда от още нещо, което да обясни разликите в измерванията. Тъй като едното измерване идва от най-ранната вселена, а другото идва от по-сравнително скорошно време, идеята е, че може би някаква нова съставка в космоса променя скоростта на разширяване на Вселената по начин, който още не е установен в досегашните модели.

Това, което доминира в сегашните представи за разширяването на Вселената днес, е загадъчно явление, което наричаме тъмна енергия. Но всичко, което знаем е, че скоростта на разширяване на Вселената днес се ускорява и ние наричаме силата, движеща това ускорение, „тъмна енергия“.

Когато сравняват ранната и днешната вселена физиците приемат, че тъмната енергия (каквато и да е тя) е постоянна. Но с това предположение идва установеното разминаване в изчисленията, така че може би тъмната енергия се променя. 

Да предположим, че тъмната енергия се променя.

Учените имат мрачното подозрение, че тъмната енергия има нещо общо с енергията, която е заключена във самия вакуум на пространство-времето. Тази енергия идва от всички „квантови полета“, които проникват във Вселената. 

В съвременната квантова физика всеки отделен вид частици е свързан със свое специфично поле. Тези полета проникват през цялото пространство-време и понякога на места тези полета се "вълнуват", превръщайки се в частиците, които познаваме като електрони, кварки или неутрино. Всички електрони принадлежат към електронното поле, всички частици неутрино принадлежат към неутринното поле и т.н. Ако на такова поле се изпрати достатъчно енергия, то се възбужда, т.е. ражда се частица – квант на това поле. Пораждането на частица може да се опише като преход от “ненаблюдаемо” състояние на вакуум към реално състояние.

Взаимодействието на тези полета е в основата на нашето разбиране на квантовия свят.

Анимация на математически модел на флуктуации на енергийната плътност на глуонен вакуум. Кредит: Centre for the Subatomic Structure of Matter (CSSM) and Department of Physics, University of Adelaide, 5005 Australia Тази анимация е включена в лекцията на проф. Франк Вилчек по случай връчването му на Нобеловата награда през 2004 г.

Взаимодействието между частиците е въщност прехвърляне на енергия от едно поле в друго. Например, възбуденото поле на една частица каон може да прехвърли цялата си енергия върху пионно поле, възбуждайки две частици в него. Каонното поле след това изпада до състояние на нулева частица. Обикновено се казва, че каонът се разпада на две частици пиони и ние си представяме зелена топка, която се разкъсва на две сини топки, но всъщност квантова вълна протича между две полета.

И независимо къде сме във Вселената, не можем да избягаме от квантовите полета. Дори когато не вибрират достатъчно на определено място, за да направят частица, те все пак са там, вълнуват се и вибрират. Така че тези квантови полета имат основно количество енергия, свързано с тях, дори в "празния" вакуум.

Ако се опитаме да използваме екзотичната квантова енергия на вакуума на пространство-времето, за да обясним тъмната енергия, веднага се появяват проблеми.

Според съществуващите теории енергията на вакуума заради всичките квантови полета там, трябва да бъде с 120 порядъка повече, отколкото следва от астрономическите наблюдения колко би трябвало да е тъмната енергия. 

От друга страна, ако се разгледа вакуума като състояние на случайни флуктуации, или „пространствено-времева пяна“, която съществува в така наречената скала на Планк, режим с дължини до 10 −35 метра, време до 10 −44 секунди, в такъв малък мащаб дефинирането на време, дължина и енергия ще бъде подчинено на принципа на неопределеност. Такива области с Планкови размери имат еднаква вероятност да се разширят или свият. И при този сценарий, мозайката от малки области ще изглежда една и съща, равномерна в по-големи области във вакуума - и те няма да се разширяват или свиват, което означава, че ще има нулева космологическа константа. Което също не се съгласува с измереното количество тъмна енергия. 

Но ако тези измервания на скоростта на разширение са точни и тъмната енергия наистина се променя, тогава това може да ни даде представа за същността на тези квантови полета. По-конкретно, ако тъмната енергия се променя, това означава, че самите квантови полета са се променили. 

Появява се нов играч

В скорошна публикация, достъпна онлайн в списанието за препринти arXiv, теоретичният физик Масимо Чердонио (Massimo Cerdonio) от Университета в Падуа е изчислил размера на промяната в квантовите полета, необходими за отчитане на промяната на тъмната енергия.

Ако има ново квантово поле, което е отговорно за промяната на тъмната енергия, това означава, че във Вселената има нова частица.

Промяната в тъмната енергия, която изчислява Чердонио, изисква определен нов вид частица, чиято маса се оказва приблизително същата като масата на една вече предсказана частица - така наречената аксион. Физиците са въвели тази теоретична частица, за да разрешат някои проблеми с нашето квантово разбиране на силната ядрена сила.

Тази частица вероятно се е появила в най-ранната Вселена, но се е „спотайвала“ на заден план, докато други сили и частици контролират развитието на Вселената. И сега е ред на аксиона...

Въпреки това никога не сме откривали аксион, но ако тези изчисления са правилни, тогава това означава, че аксионът е там, изпълвайки Вселената и нейното квантово поле. Също така този хипотетичен аксион вече се забелязва като промяна на количеството тъмна енергия в космоса. Може да се окаже, че макар никога да не сме виждали тази частица в лаборатория, тя вече променя нашата Вселена в най-големи мащаби.