Ett förnyat förslag om att mörk energi kanske inte är verklig – att avstå från 70 % av sakerna i universum – har återuppstått en långvarig debatt.

Mörk energi och mörk materia är teoretiska uppfinningar som förklarar observationer som vi annars inte kan förstå.

På galaxernas skala, tyngdkraften verkar vara starkare än vad vi kan redogöra för med endast partiklar som kan avge ljus. Så vi lägger till partiklar av mörk materia som 25% av universums massenergi. Sådana partiklar har aldrig detekterats direkt.

På de större skalor på vilka universum expanderar, tyngdkraften verkar svagare än förväntat i ett universum som endast innehåller partiklar - oavsett om det är vanligt eller mörkt material. Så vi lägger till "mörk energi":en svag tyngdkraftskraft som verkar oberoende av materia.

Kort historia om "mörk energi"

Idén om mörk energi är lika gammal som den allmänna relativitetsteorien själv. Albert Einstein inkluderade det när han först tillämpade relativitetsteori på kosmologi för exakt 100 år sedan.

Einstein ville av misstag exakt balansera materiens självattraktion genom anti-gravitation på de största skalorna. Han kunde inte föreställa sig att universum hade en början och ville inte att det skulle förändras i tid.

Nästan ingenting var känt om universum 1917. Själva tanken att galaxer var objekt på stora avstånd diskuterades.

Einstein stod inför ett dilemma. Den fysiska kärnan i hans teori, som sammanfattas decennier senare i introduktionen av en berömd lärobok är:

Materia berättar för rymden hur man böjer, och rymden säger hur man ska röra sig.

Det betyder att rymden naturligtvis vill expandera eller dra ihop sig, böjer sig tillsammans med saken. Den står aldrig still.

Detta insåg Alexander Friedmann som 1922 behöll samma ingredienser som Einstein. Men han försökte inte balansera mängden materia och mörk energi. Det föreslog en modell där universum som kunde expandera eller dra ihop sig.

Ytterligare, expansionen skulle alltid bromsa om bara materia fanns. Men det kan påskynda om mörk tyngdkraft ingår.

Sedan slutet av 1990-talet har många oberoende observationer tyckts kräva en sådan accelererande expansion, i ett universum med 70% mörk energi. Men denna slutsats bygger på den gamla expansionsmodellen som inte har förändrats sedan 1920 -talet.

Standard kosmologisk modell

Einsteins ekvationer är djävligt svåra. Och inte bara för att det finns fler av dem än i Isaac Newtons gravitationsteori.

Tyvärr, Einstein lämnade några grundläggande frågor obesvarade. Dessa inkluderar - på vilka skalor spelar roll spelar roll hur man kurvor? Vad är det största objektet som rör sig som en individuell partikel som svar? Och vad är den korrekta bilden på andra skalor?

Dessa frågor undviks bekvämt av den 100-åriga approximationen-introducerad av Einstein och Friedmann-att, i genomsnitt, universum expanderar enhetligt. Precis som om alla kosmiska strukturer kunde sättas genom en mixer för att göra en saklös soppa.

Denna homogeniserande approximation motiverades tidigt i kosmisk historia. Vi vet från den kosmiska mikrovågsbakgrunden - relikastrålningen från Big Bang - att variationer i materialtäthet var små när universum var mindre än en miljon år gammalt.

Men universum är det inte homogen idag. Gravitationsinstabilitet ledde till tillväxten av stjärnor, galaxer, klasar av galaxer, och så småningom ett stort "kosmiskt nät", domineras i volym av tomrum omgiven av galaxskivor och gängade av knasiga filament.

I vanlig kosmologi, vi antar en bakgrund som expanderar som om det inte fanns några kosmiska strukturer. Vi gör sedan datorsimuleringar med bara Newtons 330 år gamla teori. Detta ger en struktur som liknar den observerade kosmiska banan på ett rimligt övertygande sätt. Men det kräver att mörk energi och mörk materia ingår som ingredienser.

Även efter att ha hittat 95% av universums energitäthet för att få saker att fungera, själva modellen står fortfarande inför problem som sträcker sig från spänningar till avvikelser.

Ytterligare, standardkosmologi fixar också rymdens krökning för att vara enhetlig överallt, och avkopplad från materia. Men det står i strid med Einsteins grundidé att materia berättar för rymden hur man böjer sig.

Vi använder inte all allmän relativitet! Standardmodellen sammanfattas bättre som: Friedmann berättar för rymden hur man böjer, och Newton berättar hur man ska röra sig.

Ange "bakreaktion"

Sedan början av 2000 -talet har vissa kosmologer har undersökt tanken att medan Einsteins ekvationer länkar materia och krökning på små skalor, deras storskaliga medelvärde kan ge upphov till bakreaktioner – genomsnittlig expansion som inte är exakt homogen.

Material- och krökningsfördelningar börjar nära uniform när universum är ungt. Men när det kosmiska nätet dyker upp och blir mer komplext, variationerna av småskalig krökning blir stora och den genomsnittliga expansionen kan skilja sig från den för standardkosmologi.

Nyligen numeriska resultat från ett team i Budapest och Hawaii som påstår sig avstå från mörk energi använde vanliga Newtonska simuleringar. Men de utvecklade sin kod framåt i tiden genom en icke-standard metod för att modellera bakreaktionseffekten.

Intressant nog, den resulterande expansionslagen som passar Planck-satellitdataspår mycket nära den för en tio år gammal allmän relativitetsbaserad bakreaktionsmodell, känd som tidsbildskosmologin. Det påstår att vi måste kalibrera klockor och linjaler annorlunda när vi överväger variationer i krökning mellan galaxer och tomrum. För en sak, detta betyder att universum inte längre har en enda ålder.

Under nästa decennium, experiment som Euclid-satelliten och CODEX-experimentet, kommer att ha makt att testa om kosmisk expansion följer Friedmanns homogena lag, eller en alternativ bakreaktionsmodell.

Att vara beredd, det är viktigt att vi inte lägger alla våra ägg i en kosmologisk korg, som Avi Loeb, Ordförande i astronomi vid Harvard, har nyligen varnat. Med Loebs ord:

För att undvika stagnation och vårda en levande vetenskaplig kultur, en forskningsfront bör alltid ha minst två sätt att tolka data så att nya experiment syftar till att välja rätt. En sund dialog mellan olika synvinklar bör främjas genom konferenser som diskuterar konceptuella frågor och inte bara experimentella resultat och fenomenologi, som ofta är fallet just nu.

Vad kan allmän relativitet lära oss?

Medan de flesta forskare accepterar att bakreaktionseffekterna existerar, den verkliga debatten handlar om huruvida detta kan leda till mer än 1% eller 2% skillnad från massenergibudgeten för standardkosmologi.

Varje bakreaktionslösning som eliminerar mörk energi måste förklara varför lagen om medelexpansion verkar så enhetlig trots inhomogeniteten hos den kosmiska webben, något standardkosmologi antar utan förklaring.

Eftersom Einsteins ekvationer i princip kan få rymden att expandera på extremt komplicerade sätt, någon förenklingsprincip krävs för deras storskaliga genomsnitt. Detta är tidsmässiga kosmologins tillvägagångssätt.

Varje förenklande princip för kosmologiska medelvärden kommer sannolikt att ha sitt ursprung i det mycket tidiga universum, eftersom det var mycket enklare än universum idag. Under de senaste 38 åren har inflationära universumsmodeller har åberopats för att förklara enkelheten i det tidiga universum.

Även om det är framgångsrikt i vissa aspekter, många inflationsmodeller utesluts nu av satellitdata från Planck. De som överlever ger spännande tips om djupare fysiska principer.

Många fysiker ser fortfarande universum som ett fast kontinuum som uppstår oberoende av materiefälten som lever i det. Men, i relativitetens anda - att rum och tid bara har mening när de är relationella - kan vi behöva tänka om grundidéer.

Eftersom själva tiden bara mäts av partiklar med en vilomassa som inte är noll, kanske rymdtid som vi känner det bara fram när de första massiva partiklarna kondenserar.

Oavsett den slutliga teorin, det kommer sannolikt att förkroppsligar nyckeln till innovation i allmän relativitet, nämligen den dynamiska kopplingen av materia och geometri, på kvantnivå.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.