Sejak akhir 1920-an, para astronom telah menyadari fakta bahwa Semesta dalam keadaan ekspansi. Awalnya diprediksi oleh Teori Relativitas Umum Einstein, realisasi ini telah berlanjut untuk menginformasikan model kosmologis yang paling diterima secara luas - Teori Big Bang. Namun, hal-hal menjadi agak membingungkan selama 1990-an, ketika pengamatan yang lebih baik menunjukkan bahwa laju ekspansi Semesta telah meningkat selama miliaran tahun.
Ini mengarah pada teori Energi Gelap, kekuatan misterius tak kasat mata yang mendorong ekspansi kosmos. Sama seperti Dark Matter yang menjelaskan "massa yang hilang", maka menjadi penting untuk menemukan energi yang sulit dipahami ini, atau setidaknya memberikan kerangka teori yang koheren untuknya. Sebuah studi baru dari University of British Columbia (UBC) berusaha melakukan hal itu dengan mendalilkan bahwa Semesta berkembang karena fluktuasi ruang dan waktu.
Studi ini - yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Ulasan Fisik D - dipimpin oleh Qingdi Wang, seorang mahasiswa PhD dengan Departemen Fisika dan Astronomi di UBC. Di bawah pengawasan Profesor UBC William Unruh (orang yang mengusulkan Efek Unruh) dan dengan bantuan dari Zhen Zhu (mahasiswa PhD lain di UBC), mereka memberikan pandangan baru tentang Energi Gelap.
Tim mulai dengan mengatasi ketidakkonsistenan yang timbul dari dua teori utama yang bersama-sama menjelaskan semua fenomena alam di Semesta. Teori-teori ini tidak lain adalah Relativitas Umum dan mekanika kuantum, yang secara efektif menjelaskan bagaimana Semesta berperilaku pada skala terbesar (yaitu bintang, galaksi, kluster) dan terkecil (partikel subatomik).
Sayangnya, kedua teori ini tidak konsisten ketika datang ke masalah kecil yang dikenal sebagai gravitasi, yang para ilmuwan masih tidak dapat menjelaskan dalam hal mekanika kuantum. Keberadaan Energi Gelap dan perluasan Alam Semesta adalah titik ketidaksepakatan lainnya. Sebagai permulaan, teori kandidat seperti energi vakum - yang merupakan salah satu penjelasan paling populer untuk Energi Gelap - menghadirkan ketidaksesuaian serius.
Menurut mekanika kuantum, energi vakum akan memiliki kepadatan energi yang sangat besar. Tetapi jika ini benar, maka Relativitas Umum memperkirakan bahwa energi ini akan memiliki efek gravitasi yang sangat kuat, yang akan cukup kuat untuk menyebabkan Semesta meledak dalam ukuran. Sebagaimana Prof. Unruh berbagi dengan Space Magazine melalui email:
“Masalahnya adalah bahwa perhitungan naif dari energi vakum memberikan nilai besar. Jika seseorang mengasumsikan bahwa ada semacam cutoff sehingga seseorang tidak bisa mendapatkan kepadatan energi yang jauh lebih besar dari kepadatan energi Planck (atau sekitar 1095 Joule / meter³) lalu seseorang menemukan bahwa seseorang mendapatkan konstanta Hubble - skala waktu di mana Semesta secara kasar berlipat ganda dalam ukuran - dari urutan 10-44 detik. Jadi, pendekatan yang biasa adalah mengatakan bahwa entah bagaimana sesuatu mengurangi turun sehingga seseorang mendapatkan tingkat ekspansi aktual sekitar 10 miliar tahun sebagai gantinya. Tapi 'entah bagaimana' itu cukup misterius dan tidak ada yang datang dengan mekanisme yang bahkan setengah meyakinkan. "
Sementara para ilmuwan lain telah berusaha untuk memodifikasi teori Relativitas Umum dan mekanika kuantum untuk menyelesaikan ketidakkonsistenan ini, Wang dan rekan-rekannya mencari pendekatan yang berbeda. Seperti yang dijelaskan Wang kepada Space Magazine melalui email:
“Penelitian sebelumnya mencoba memodifikasi mekanika kuantum dengan cara tertentu untuk membuat energi vakum menjadi kecil atau mencoba memodifikasi Relativitas Umum dalam beberapa cara untuk membuat gravitasi mati rasa untuk energi vakum. Namun, mekanika kuantum dan Relativitas Umum adalah dua teori paling sukses yang menjelaskan cara kerja Semesta kita… Alih-alih mencoba memodifikasi mekanika kuantum atau Relativitas Umum, kami percaya bahwa pertama-tama kita harus memahaminya dengan lebih baik. Kami menganggap kerapatan energi vakum besar yang diprediksi oleh mekanika kuantum dengan serius dan membiarkannya tertarik pada Relativitas Umum tanpa memodifikasi salah satunya. ”
Demi penelitian mereka, Wang dan rekan-rekannya melakukan serangkaian perhitungan baru pada energi vakum yang memperhitungkan kerapatan energi tinggi yang diprediksi. Mereka kemudian mempertimbangkan kemungkinan bahwa pada skala terkecil - milyaran kali lebih kecil dari elektron - struktur ruangwaktu tunduk pada fluktuasi liar, terombang-ambing di setiap titik antara ekspansi dan kontraksi.
Ketika berayun ke depan dan ke belakang, hasil dari osilasi ini adalah efek bersih di mana Semesta mengembang perlahan, tetapi pada kecepatan yang semakin cepat. Setelah melakukan perhitungan mereka, mereka mencatat bahwa penjelasan seperti itu konsisten dengan keberadaan kepadatan energi vakum kuantum dan Relativitas Umum. Selain itu, ini juga konsisten dengan apa yang telah diamati oleh para ilmuwan di Semesta kita selama hampir seabad. Seperti yang dijelaskan Unruh:
“Perhitungan kami menunjukkan bahwa seseorang dapat secara konsisten menganggap [bahwa] Alam Semesta pada skala terkecil sebenarnya berkembang dan berkontraksi dengan kecepatan yang luar biasa cepat; tetapi dalam skala besar, karena rata-rata skala kecil itu, fisika tidak akan menyadari bahwa 'busa kuantum'. Ini memiliki efek residu kecil dalam memberikan konstanta kosmologis yang efektif (efek tipe energi gelap). Dalam beberapa hal itu seperti ombak di lautan yang bergerak seolah-olah samudera itu sangat halus tapi sungguh kita tahu bahwa ada tarian luar biasa dari atom-atom yang membentuk air, dan gelombang rata-rata di atas fluktuasi itu, dan bertindak seolah-olah permukaannya halus. "
Berbeda dengan teori-teori yang bertentangan dari Semesta di mana berbagai kekuatan yang mengaturnya tidak dapat diselesaikan dan harus membatalkan satu sama lain, Wang dan rekan-rekannya menyajikan gambar di mana Semesta terus bergerak. Dalam skenario ini, efek dari energi vakum sebenarnya membatalkan sendiri, dan juga memunculkan ekspansi dan percepatan yang telah kita amati selama ini.
Meskipun mungkin terlalu dini untuk mengatakan, gambar Semesta yang sangat dinamis (bahkan pada skala terkecil) dapat merevolusi pemahaman kita tentang ruangwaktu. Paling tidak, temuan-temuan teoritis ini pasti akan merangsang debat dalam komunitas ilmiah, serta eksperimen yang dirancang untuk menawarkan bukti langsung. Dan itu, seperti yang kita tahu, adalah satu-satunya cara kita dapat memajukan pemahaman kita tentang hal ini yang dikenal sebagai Semesta.
