Ar tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją sieja kas nors daugiau, nei pavadinimas?

Tamsioji materija ir tamsioji energija – jau daug dešimtmečių astronomų, kosmologų ir dalelių fizikų dėmesį traukiantys fenomenai, kuriuos vienija juose esantis žodis „tamsioji“, tad, jie juk turi būti susiję, taip?

Tamsioji materija ir tamsioji energija yra susijusios, bet ne taip, kaip galima pamanyti. Fizikos teoretikai ir astronomai mano, kad didžiąja dalimi tai yra atskiri vieniai, ir dauguma mūsų tyrimų telkiasi apie idėją, kad jos turi labai mažai ką bendro. Labiausiai juos sieja XX amžiaus mokslininkų polinkis nematomus ar nesuprantamus dalykus vadinti „tamsiais“.

Norint suprasti skirtumą, reikėtų suvokti, kas yra materija ir energija. Daugelis su šiomis fizikos koncepcijomis tikriausiai susiduria per populiariosios kultūros pateikiamą garsiąją Alberto Einsteino lygtį, \(E=mc²\). „\(E\)“ žymi energiją, „\(m\)“ – masę, o „\(c\)“ raide žymimas nekintantis šviesos greitis vakuume.

Masė, grubiai tariant, yra matas to, kiek yra materijos. Su mase intuityviausiai susipažįstame per gravitaciją: čia, Žemėje, mūsų masė apibrėžia mūsų gravitacinės sąveikos su planeta stiprį, kas populiariau vadinama svoriu. Suprantame, kad mūsų svoris daugmaž suteikia supratimą, kiek materijos yra mumyse.

Energija – abstraktesnė koncepcija ir intuityvų jos suvokimą žmonės ugdosi ilgiau, netgi fizikos studentai. Šiek tiek supratimo apie ją galime gauti ir iš garsiosios Einsteino lygties, rodančios, kad masę turintis objektas turi energiją, ekvivalenčią masei, padaugintai iš šviesos greičio kvadrato.

Iš dalies Einsteino reliatyvumas ir yra toks galingas, nes ši lygtis rodo, kad klasikinis niutoniškasis energijos ir masės atskyrimas yra nereikalingas. Apjungę šią idėją su kvantinės mechanikos atradimais, matome, kad ten, kur yra materija, yra ir energija, o kur yra energija, gali rastis ir materija.

Kur yra materija, yra ir energija, o kur yra energija, yra ir potencialas rastis materijai

Dėl šio materijos ir energijos ekvivalentiškumo, dalelių fizikai linkę tiek masė, tiek energijos matavimus išreikšti energijos vienetais.

Apie energiją žinias teikia ne vien reliatyvumo teorija — pagal ją nėra numatoma, kad tuščioje erdvėje esama kokios nors energijos. Tačiau kvantinėje mechanikoje tuščia erdvė (dar vadinama vakuumu) energijos turi.

Čia susiduriame su taip vadinama „kosmologinės konstantos problema“. Kvantiniai skaičiavimai numato, kad energijos yra visame erdvėlaikyje, netgi kai nėra jokios materijos. Bet astrofiziniai stebėjimai rodo ką kita.

1998 metais buvo atrasta, kad erdvėlaikio plėtimasis spartėja ir paprasčiausias teorinis to paaiškinimas – tai vyksta dėl kosmologinės konstantos, visur esančios vakuumo energijos.

Svarbiausia, dėl energijos ir masės ekvivalentiškumo, vakuumo energija gali sąveikauti su gravitacija panašiai kaip masę turintys objektai, tik, užuot traukusi, vakuumo energija stumia, plėsdama erdvėlaikį.

Šis jaudinamas kosminio plėtimosi greitėjimo atradimas irgi sukūrė paslaptį, nes vakuumo energija, kurios reikia tam, kad ji atitiktų matavimus, yra daug mažesnė už kvantinės mechanikos rodomus skaičiavimus. Tokia yra tamsiosios energijos problema.

Ji smarkiai skiriasi nuo tamsiosios materijos problemos. Tamsiosios materijos problema susijusi su trūkstama galaktikų mase.

Manoma, kad tamsioji materija pasireiškia kaip masyvus objektas, tuo tarpu tamsioji energija – ne. Tačiau nėra fizikos dėsnio, dėl kurio tamsioji materija ir tamsioji energija negalėtų būti susijusios. Kartu jos sudaro 96 procentus visatos masės-energijos, tad, klausimas apie jų sąsają visai tinkamas.

Chanda Prescod-Weinstein
www.newscientist.com