เราสามารถละทิ้งพลังงานมืดด้วยการทำความเข้าใจทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้ดีขึ้นได้หรือไม่?

เราสามารถละทิ้งพลังงานมืดด้วยการทำความเข้าใจทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้ดีขึ้นได้หรือไม่?

ข้อเสนอแนะใหม่ที่ว่าพลังงานมืดอาจไม่มีอยู่จริง — ซึ่งกระจายไป 70% ของสิ่งต่างๆ ในจักรวาล — ได้จุดประกายการถกเถียงที่ยาวนานขึ้นอีกครั้งพลังงานมืดและสสารมืดเป็นสิ่งประดิษฐ์ทางทฤษฎีที่อธิบายการสังเกตที่เราไม่สามารถเข้าใจได้ในระดับของกาแลคซี แรงโน้มถ่วงดูเหมือนว่าจะแรงกว่าที่เราจะใช้เพียงอนุภาคที่สามารถเปล่งแสงได้ ดังนั้นเราจึงเพิ่มอนุภาคสสารมืดเป็น 25% ของพลังงานมวลของเอกภพ ไม่เคยตรวจพบอนุภาคดังกล่าวโดยตรง

ในระดับที่ใหญ่ขึ้นซึ่งเอกภพกำลังขยายตัว แรงโน้มถ่วงดูเหมือน

จะอ่อนแอกว่าที่คาดไว้ในเอกภพที่มีแต่อนุภาค ไม่ว่าจะเป็นสสารธรรมดาหรือสสารมืด ดังนั้นเราจึงเพิ่ม “พลังงานมืด”: แรงต้านแรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอซึ่งทำงานโดยไม่ขึ้นกับสสาร

ประวัติย่อของ “พลังงานมืด”

แนวคิดเรื่องพลังงานมืดนั้นเก่าแก่พอๆ กับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ กล่าวถึงสิ่งนี้เมื่อเขานำทฤษฎีสัมพัทธภาพมาใช้กับจักรวาลวิทยาเป็นครั้งแรกเมื่อ 100 ปีที่แล้ว

ไอน์สไตน์เข้าใจผิดว่าต้องการสร้างความสมดุลให้กับแรงดึงดูดของสสารด้วยการต้านแรงโน้มถ่วงในระดับที่ใหญ่ที่สุด เขาไม่สามารถจินตนาการได้ว่าจักรวาลมีจุดเริ่มต้นและไม่ต้องการให้มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา

แทบไม่มีใครรู้เกี่ยวกับเอกภพในปี 1917 ความคิดที่ว่ากาแลคซีเป็นเทหวัตถุในระยะทางที่กว้างใหญ่นั้นถูกถกเถียงกัน

ไอน์สไตน์ต้องเผชิญกับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก แก่นแท้ของทฤษฎีของเขาซึ่งสรุปไว้หลายทศวรรษต่อมาในบทนำของตำราที่มีชื่อเสียงคือ:

สสารบอกอวกาศว่าโค้งอย่างไร และอวกาศบอกว่าสสารจะเคลื่อนที่อย่างไรนั่นหมายถึงพื้นที่ตามธรรมชาติต้องการขยายหรือหดตัว โค้งงอไปพร้อมกับสสาร มันไม่เคยหยุดนิ่ง

นอกจากนี้ การขยายตัวจะช้าลงเสมอหากมีเพียงสสารเท่านั้น แต่มันสามารถเร่งความเร็วได้หากรวมพลังงานมืดต้านแรงโน้มถ่วงไว้ด้วย

น่าเสียดายที่ Einstein ทิ้งคำถามพื้นฐานบางข้อไว้โดยไม่ได้รับคำตอบ 

สิ่งเหล่านี้รวมถึง – สเกลใดที่บอกพื้นที่ว่าโค้งอย่างไร วัตถุที่ใหญ่ที่สุดที่เคลื่อนที่เป็นอนุภาคแต่ละอนุภาคในการตอบสนองคืออะไร? และภาพที่ถูกต้องในระดับอื่นคืออะไร?

ปัญหาเหล่านี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยง่ายด้วยการประมาณอายุ 100 ปีซึ่งแนะนำโดยไอน์สไตน์และฟรีดมันน์ กล่าวคือ โดยเฉลี่ยแล้วจักรวาลจะขยายตัวอย่างสม่ำเสมอ ราวกับว่าสามารถใส่โครงสร้างจักรวาลทั้งหมดผ่านเครื่องปั่นเพื่อทำซุปที่ไม่มีรูปร่าง

การประมาณที่ทำให้เป็นเนื้อเดียวกันนี้ได้รับการพิสูจน์ในช่วงต้นของประวัติศาสตร์จักรวาล เราทราบจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลซึ่งเป็นการแผ่รังสีของบิกแบง การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของสสารนั้นน้อยมากเมื่อเอกภพมีอายุน้อยกว่าหนึ่งล้านปี

แต่จักรวาลไม่ได้ เป็น เนื้อเดียวกันในปัจจุบัน ความไม่เสถียรของแรงโน้มถ่วงนำไปสู่การเติบโตของดาวฤกษ์ กาแล็กซี กระจุกดาราจักร และในที่สุด ” ใย จักรวาล ” อันกว้างใหญ่ ซึ่งถูกครอบงำด้วยปริมาตรโดยช่องว่างที่ล้อมรอบด้วยแผ่นกาแล็กซีและเส้นใยเล็กๆ ร้อยเป็นเกลียว

ในจักรวาลวิทยามาตรฐาน เราถือว่าพื้นหลังขยายตัวราวกับว่าไม่มีโครงสร้างจักรวาล จากนั้นเราทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้ทฤษฎีอายุ 330 ปีของนิวตันเท่านั้น สิ่งนี้สร้างโครงสร้างที่คล้ายกับเว็บจักรวาลที่สังเกตได้ในลักษณะที่น่าสนใจพอสมควร แต่จำเป็นต้องรวมถึงพลังงานมืดและสสารมืดเป็นส่วนผสม

แม้ว่าหลังจากคิดค้นความหนาแน่นของพลังงาน 95% ของเอกภพเพื่อทำให้สิ่งต่างๆ ทำงานได้ ตัวแบบจำลองเองก็ยังประสบปัญหาที่มีตั้งแต่ความตึงเครียดไปจนถึงความผิดปกติ

นอกจากนี้ จักรวาลวิทยามาตรฐานยังกำหนดความโค้งของอวกาศให้เท่ากันทุกที่ และแยกออกจากสสาร แต่นั่นขัดแย้งกับแนวคิดพื้นฐานของไอน์สไตน์ที่ว่าสสารบอกอวกาศว่าโค้งอย่างไร

เราไม่ได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทั้งหมด! แบบจำลองมาตรฐานสรุปได้ดีกว่าดังนี้ฟรีดมันน์บอกอวกาศว่าโค้งอย่างไร และนิวตันบอกว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร