Poniżej znajdziesz wyjaśnienia następujących zagadnień związanych z Teorią względności : Szczególna teoria względności; Ogólna teoria względności; Postulaty Ogólnej teorii względności; Czarne dziury a ogólna teoria względności; Fale grawitacyjne jako konsekwencja ogólnej teorii względności; Fale z inflacji; Gładki i zaburzony wszechświat; Historia wszechświata i ślady odciśnięte w promieniowaniu; Stała kosmologiczna (od implozji do eksplozji, tajemnicze pole);

Szczególna teoria względności    Szczególna teoria względności odnosi się do całej fizyki, ale pod pewnymi względami stoi w poważnej sprzeczności z intuicyjnym rozumowaniem czasu i przestrzeni. Einstein, rozważając ruch w przestrzeni, sformułował postulat, że prędkość światła ma stałą wartość we wszystkich układach odniesienia - niezależnie od ruchu źródła światła lub jego detektora. Czyli inaczej - obliczona już wcześniej prędkość światła nie zależy od prędkości ruchu obserwatora. Jeżeli jednak tak jest, to dla dwóch obserwatorów poruszających się z różną prędkością równoczesne są różne zdarzenia.    Jeśli przyjmujemy, że prędkość światła ma taką samą wartość w każdym układzie odniesienia, to czas i przestrzeń łączą się i razem tworzą arenę zdarzeń fizycznych. Teoria Einsteina wyjaśniała również pewne wyniki doświadczalne, jak na przykład przyrost masy obiektów poruszających się z dużą prędkością. Ogólna teoria względności    Teoria ogólna jest rozwinięciem szczególnej teorii na przypadek pól grawitacyjnych i przyspieszonych układów odniesienia . Ogólna teoria względności stanowi podstawę całej dwudziestowiecznej kosmologii - między innymi wyjaśnia przesunięcie ku czerwieni widma galaktyk, które dowodzi, iż wszechświat się rozszerza, oraz tłumaczy powstanie czarnych dziur. Pola grawitacyjne posuwają w rezultacie zaburzenia czasoprzestrzeni w obecności dużych mas, tak więc czasoprzestrzeń nie jest już dłużej traktowana jako istniejąca niezależnie od masy we wszechświecie. Oznacza to, że czasoprzestrzeń, masa oraz grawitacja są ze sobą współzależne. Koncepcja "zakrzywionej czasoprzestrzeni" doprowadziła Einsteina do sformułowania ogólnej teorii względności. Ruch ciał astronomicznych jest warunkowany przez deformację lub krzywizną czasoprzestrzeni w pobliżu ciężkich mas. Tor światła jest także zakrzywiany przez pole grawitacyjne dużych mas. Zaobserwowano zakrzywienie promieni świetlnych przechodzących w pobliżu słońca, co stanowi eksperymentalne potwierdzenie teorii Einsteina Zasada równoważności Einsteina mówi, że siły grawitacyjne i inercjalne, związane z przyspieszeniem układu, są nieodróżnialne.    Z zasady równoważności wynika, że przyciąganie grawitacyjne nie jest po prostu siłą, z jaką przyciągają się wzajemnie wszystkie ciała. Ciążenie należy uważać za skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masę. Masa powoduje, że przestrzeń ma geometrię nieeuklidesową. Wprawdzie w warunkach, z jakimi spotykamy się na co dzień, ogólna teoria względności i prawo powszechnego ciążenia Newtona dają w zasadzie takie same wyniki, ale teoria Einsteina nie tylko opisuje eliptyczne orbity planet, lecz również tłumaczy pewne anomalia, takie jak precesja orbity Merkurego wokół Słońca. W teorii przewidział, że promień światła gwiazdy, przelatując w pobliżu dużej masy - na przykład Słońca - ulega ugięciu. Ugięcie można zaobserwować porównując położenie gwiazdy na niebie, gdy leży z dala od Słońca i gdy jej promienie przelatują tuż obok Słońca. Z ogólnej teorii względności wynika, że kąt ugięcia powinien być dwa razy większy, niż przewiduje teoria klasyczna, w której przestrzeń uważamy za płaską. Ogólna teoria względności opiera się na czterech postulatach: - czasoprzestrzeń zgodna jest lokalnie ze szczególną teorią względności, tj. w każdym dostatecznie małym otoczeniu każdego punktu może ona być przybliżona przez płaską czterowymiarową przestrzeń Minkowskiego ( czasoprzestrzeń szczególnej teorii względności; oś czasu jest urojona, osie przestrzenne są rzeczywiste. Punkty w przestrzeni Minkowskiego noszą nazwę punktochwil lub zdarzeń elementarnych ); - czasoprzestrzeń jest czterowymiarową przestrzenią topologiczną, różniczkowalną i spójną - w każdym jej punkcie określone są metryczny tensor oraz jej krzywizna wyrażona przez tensor Riemanna; - tensor metryczny spełnia równanie pola Einsteina; - linie świata cząstek próbnych ( tj. cząstek posiadających energię wpływającą w stopniu znikomym na krzywiznę przestrzeni ) są geodetykami w czasoprzestrzeni; Czarne dziury a ogólna teoria względności    Po raz pierwszy o czarnych dziurach mówiono już na przełomie XIX i XX wieku. Pierre Simone La Place w swoim dziele pt.:"Mechanika nieba" przewidywał istnienie niewidocznych gwiazd.    Obliczył on to co dziś nazywamy prędkością ucieczki, czyli prędkość jaką należy nadać ciału, aby pokonało ono grawitację i na zawsze uciekło w przestrzeń kosmiczną. Im większa większa masa i mniejszy promień tym musi ona być większa. Dla Księżyca wynosi ona 2.4 km/s, Jowisza 61 km/s, Słońca 620 km/s, a dla gwiazd neutronowych osiąga połowę prędkości światła. światło nie jest wstanie pokonać grawitacji i wydostać się na zewnątrz. I tu odkrył ważną cechę czarnej dziury tzn. chwytanie światła w pułapkę. Na tym w zasadzie kończy się wkład Pierra Simone Laplace w poznawanie czarnych dziur.    Dopiero ogólna teoria względności Einsteina pozwoliła dokładniej je zbadać. Dla zrozumienia przedstawię Wam teraz różnicę pomiędzy teoriami grawitacji Einsteina i Newtona. Wyobrażamy sobie, że jesteśmy na powierzchni kulistej, nieobracającej się planety i chcemy zmierzyć siłę przyciągania wywieraną przez planetę na ciało. Zgodnie z prawem Newtona siła ta jest wprostproporcjonalna do iloczynu mas ciała i planety, odwrotnieproporcjonalna do kwadratu promienia planety. Wyobraźmy sobie, że możemy stopniowo zmniejszać promień planety tak, aby jej masa nie uległa zmianie ( zwiększamy gęstość ). Według teorii Newtona dwukrotne zmniejszenie rozmiaru ciała powoduje czterokrotne zwiększenie grawitacji, zgodnie z teorią Einsteina grawitacja ta będzie odrobinę większa, a im bardziej zwiększamy gęstość to różnice pomiędzy obiema teoriami katastrofalnie rosną. Teoria Newtona przewiduje, że grawitacja wzośnie do nieskończoności gdy promień zbliży się do rozmiarów punktowych, z teorii Einsteina wynika ta sama grawitacja osiągnie nieskończoność gdy promień będzie równy tzw. promieniowi grawitacyjnemu ( promień grawitacyjny Ziemi wynosi ok. 1cm ). Według teorii Einsteina w silnym polu grawitacyjnym czas płynie wolniej niż czas mierzony z daleka od źródła grawitacji, nie jest więc czymś trwającym wiecznie, nie jest absolutem. W fizyce Arystotelesa czytamy: "...Czy wobec tego jest inny czas i czy mogą istnieć dwa inne czasy ? Z pewnością nie. Bo czas równy i równoczesny jest jednym i tym samym czasem; co więcej, nawet czasy nierównoczesne mogą należeć do tego samego rodzaju. Einstein udowodnił, że absolutny czas to fikcja, jego upływ zależy od ruchu i pola grawitacyjnego. W polu grawitacyjnym wszystkie procesy ulegają spowolnieniu z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora. Dylatacja czasu jest bardzo mała np. na powierzchni Ziemi zegary chodzą wolniej niż w odległej przestrzeni kosmicznej zaledwie o 1 miliardową sekundy. Również o 1 miliardową różniła się siła grawitacji obliczona według teorii Einsteina od siły obliczonej za pomocą teorii Newtona. Kolejny wniosek wynikający z teorii względności mówi o tym, że silne pole grawitacyjne powoduje zmianę geometrycznych własności przestrzeni. Oznacza to np.: że suma kątów w trójkącie nie wynosi 180 stopni, a obwód okręgu nie równa się iloczynowi obwodu i 2PI. Einstein wykazał, że czas i przestrzeń splatają się w czterowymiarową czasoprzestrzeń i to ona ulega zakrzywieniu. Zgodnie z teorią Einsteina jeśli promień ciała jest mniejszy od promienia grawitacyjnego to światło nie może opuścić jego powierzchni a siła grawitacji rośnie do nieskończoności. W związku z tym przyśpieszenie swobodnego spadku staje się nieskończenie wielkie. Jakie są tego konsekwencje. Zapadające się ciało nie osiąga punktowego rozmiaru. Proces zapadania jest powstrzymywany przez siły ciśnienia wewnętrznego tworzącej go materii. W przypadku gwiazd mamy do czynienia z ciśnieniem gorącego gazu dążącego do rozepchania gwiazdy. Stabilność ciał niebieskich to wynik równoważenia się grawitacji i sił jej przeciwdziałających czyli ćiśnienia, temperatury itp. ściskanie zwiększa te siły, gdy materia zostaje ściśnięta do skończonej gęstości to ciśnienie i temperatura również pozostają skończone. Inaczej jest w przypadku grawitacji. Gdy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego (sfera Schwarzwalda) to grawitacja rośnie do nieskończoności, więc nie może być zrównoważona przez skończoną temperaturę i ciśnienie - musi zapaść się do środka. Jakakolwiek materia, która znajdzie się w odległości mniejszej od promienia grawitacyjnego będzie musiało więc zostać wciągnięte do wewnątrz gwiazdy. Nie będzie mogła zatrzymać się na sferze Schwarzwalda gdyż działałaby na nią nieskończenie wielka siła grawitacji. Dochodzimy do wniosku, że wzrost siły grawitacyjnej działającej na ciało powoduje katastroficzne, niepohamowane zapadanie. Zjawisko to nosi nazwę kolapsu relatywistycznego. Wystarczy więc tak ścisnąć ciało aby jego promień zmalał do promienia grawitacyjnego aby dalsze zapadanie następowało samoistnie. Tak powstaje czarna dziura. Fale grawitacyjne jako konsekwencja ogólnej teorii względności    W 1918 roku Albert Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych jako konsekwencji swojej ogólnej teorii względności. Fale grawitacyjne przypominają fale elektromagnetyczne, takie jak promienie X, fale radiowe czy światło, które są rozchodzącymi się zaburzeniami pola elektromagnetycznego. Tak jak światło lub fale radiowe mogą one przenosić informację i energię, od źródła, które je wytwarza. Co więcej, fale grawitacyjne mogą się rozchodzić w ośrodku, który pochłania wszystkie postacie promieniowania elektromagnetycznego. Podobnie jak promieniowanie rentgenowskie pozwala lekarzowi zajrzeć do wnętrza ciała pacjenta przez tkanki, które nie przepuszczają światła, tak fale grawitacyjne powinny umożliwić badaczom obserwację zjawisk astrofizycznych nie dających się zobaczyć w żaden inny sposób. Fal grawitacyjnych nie zarejestrowano dotąd bezpośrednio, niemniej obserwacje astronomiczne potwierdzają, że fale takie generowane są przez pary hipergęstych obiektów, jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury, które poruszając się po spiralnej trajektorii, wzajemnie na siebie spadają. Plazma, która wypełniała Wszechświat w ciągu pierwszych 500 tyś. lat jego istnienia, była nieprzezroczysta dla promieniowania elektromagnetycznego, gdyż morze subatomowych cząstek natychmiast rozpraszało emitowane wówczas fotony. To dlatego astronomowie nie mogą zaobserwować sygnału elektromagnetycznego wysłanego wcześniej niż MPT. Natomiast fale grawitacyjne mogły przemieszczać się w plazmie. Co więcej, teoria inflacji przewiduje, że w okresie bardzo szybkiego rozszerzania się Wszechświata, w l O"38 s po Wielkim Wybuchu, powinny powstać fale grawitacyjne. Jeżeli teoria ta jest prawdziwa, to te pierwotne fale grawitacyjne rozchodziły się po całym Wszechświecie i 500 tyś. lat później pozostawiły ślad w postaci drobnych niejednorodności w MPT, który da się obecnie obserwować. Fale z inflacji    Aby zrozumieć, w jaki sposób inflacja mogła wytworzyć fale grawitacyjne, rozważmy fascynującą konsekwencję mechaniki kwantowej: pusta przestrzeń wcale nie jest taka pusta. Przez cały czas spontanicznie kreowane i unicestwiane są w niej wirtualne pary cząstek. Zasada nieoznaczoności Heisenberga stwierdza, że para cząstek o energii AE może się nagle pojawić i istnieć przez czas At, zanim się one wzajemnie nie unicestwią, jeżeli AE At <-h/2, gdzie -h jest zredukowaną stałą Plancka (1.055 x 10-34 J/s). I nie ma co się martwić o wirtualne jabłka lub banany pojawiające się nagle w pustej przestrzeni, bowiem spontanicznie mogą powstawać jedynie cząstki elementarne, a nie skomplikowane układy atomów. Jedną z cząstek elementarnych podlegających temu procesowi kreacji jest grawiton - kwant pola grawitacyjnego (analogiczny do fotonu pola elektromagnetycznego). Pary wirtualnych grawitonów stale powstają i znikają. Jednak podczas inflacji wirtualne grawitony mogły zostać rozdzielone znacznie szybciej, niż ulec anihilacji. Dzięki temu wirtualne cząstki staną się cząstkami rzeczywistymi. Co więcej, niezwykle szybkie rozszerzanie się Wszechświata rozciągnie mikroskopową długość fali grawitonu do rozmiarów makroskopowych. W ten sposób inflacja mogła wykorzystać energię na produkcję grawitonów, generując jednocześnie widmo fal grawitacyjnych odzwierciedlające warunki panujące we Wszechświecie w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Jeżeli inflacyjne fale grawitacyjne faktycznie istnieją, to są one najstarszymi reliktami we Wszechświecie, powstałymi 500 tyś. lat przed wyemitowaniem MPT. Mikrofalowe promieniowanie tła składa się głównie z fal o długości od jednego do 5 mm (z maksimum natężenia przy długości fali 2 mm), natomiast długośd inflacyjnych fal grawitacyjnych mogą być zawarte w znacznie szerszym przedziale od l cm do l O23 km, czyli do rozmiarów obecnie obserwowanego Wszechświata. Teoria inflacyjna przewiduje, że najdłuższe fale grawitacyjne powinny mieć największe natężenie, które zależy od tempa rozszerzania się Wszechświata w epoce inflacyjnej. Tempo to jest proporcjonalne do skali energii, przy której następuje inflacja, a tę określa temperatura Wszechświata w momencie rozpoczęcia inflacyjnego rozszerzania. Ponieważ zaś temperatura Wszechświata rośnie w miarę przybliżania się do momentu Wielkiego Wybuchu, natężenie fal grawitacyjnych zależy od czasu, w którym rozpoczęła się inflacja. Niestety, kosmolodzy nie potrafią wyznaczyć tego momentu, gdyż nie wiedzą, co spowodowało inflację. Niektórzy fizycy uważają że inflacja rozpoczęła się, gdy trzy fundamentalne oddziaływania - silne, słabe i elektromagnetyczne - oddzieliły się wkrótce po powstaniu Wszechświata. Zgodnie z tą teorią w momencie narodzin Wszechświata te trzy oddziaływania były nierozróżnialne, ale rozdzieliły się l O'38 s po Wielkim Wybuchu i ten proces w jakiś sposób spowodował gwałtowne rozszerzanie się Wszechświata. Jeśli ta teoria jest poprawna, to inflacja rozpoczęła się przy energii rzędu 1015-1016 GeV. (l GeV to energia, jaką uzyska elektron po pokonaniu różnicy potencjału l O9 V; najpotężniejsze obecnie akceleratory przyśpieszają cząstki do energii 103 GeV.) Z kolei jeśli inflacja została spowodowana przez jakieś inne procesy fizyczne zachodzące później, pierwotne fale grawitacyjne będą miały mniejsze natężenie. Fale grawitacyjne wytworzone w pierwszym ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu będą się rozchodziły wiecznie i nawet obecnie mogą się przemieszczać we Wszechświecie. Jak kosmolodzy mogą je zaobserwować ? Rozpatrzmy najpierw, jak zwykłe radio odbiera sygnały radiowe. Fale radiowe to drgające pola elektryczne i magnetyczne, powodujące przemieszczanie się elektronów w antenie odbiornika. Ruch elektronów wytwarza prąd elektryczny, który odbiornik rejestruje. Podobnie fala grawitacyjna powoduje oscylacyjne rozciąganie i ściskanie przestrzeni, w której się rozchodzi. Te oscylacje wywołują niewielkie względne ruchy w układzie swobodnie poruszających się cząstek. Pod koniec lat pięćdziesiątych fizyk Hermann Bondi z King's College w Londynie starał się przekonać sceptyków o realności takich fal, opisując ich hipotetyczny detektor. Byłaby to para pierścieni zawieszonych swobodnie na długim, sztywnym pręcie. Padająca na taki układ fala grawitacyjna o amplitudzie h i częstości / powodowałaby następujące po sobie ściskanie i rozciąganie pręta o długości L o h-x. L, z częstością /. Ciepło wydzielone dzięki tarciu pierścieni o pręt byłoby dowodem, że fale grawitacyjne niosą energię. Naukowcy właśnie budują skomplikowane detektory fal grawitacyjnych, w których wykorzysta się lasery do śledzenia niewielkich ruchów zawieszonych mas [ramka na następnej stronie}. Odległość między próbnymi masami determinuje zakres długości fal, które to urządzenie może monitorować. W największym naziemnym detektorze masy wiszą w odległości 4 km od siebie i dlatego będzie on mógł mierzyć drgania spowodowane falami grawitacyjnymi o długości od 30 do 30 000 km; planowany detektor kosmiczny powinien rejestrować fale tysiąc razy dłuższe. Długości fal grawitacyjnych wytwarzanych przez zlewające się gwiazdy neutronowe lub zderzenia czarnych dziur mieszczą się akurat w tym zakresie, da się więc je zidentyfikować za pomocą tych nowych urządzeń. Niestety, inflacyjne fale grawitacyjne o tej długości są zbyt słabe, aby reagowały na nie te detektory. Najsilniejsze inflacyjne fale grawitacyjne to te o długości porównywalnej ze średnicą obserwowanego dziś Wszechświata. Aby je wykryć, trzeba śledzić zbiór swobodnie poruszających się cząstek znajdujących się od siebie w podobnych odległościach. Zupełnie niespodziewanie natura stworzyła taki układ w postaci pierwotnej plazmy, będącej źródłem MPT. Podczas 500 tyś. lat, które upłynęły od epoki inflacyjnej do momentu wyemitowania MPT, superdługie fale grawitacyjne rozchodziły się we Wszechświecie, na przemian sprężając i rozprężając plazmę. Badacze mogą obecnie obserwować te oscylacyjne ruchy, poszukując drobnych przesunięć Dopplera w MPT.    Wprawdzie fal grawitacyjnych nie zaobserwowano dotąd bezpośrednio, teoria przewiduje jednak, że mogą one zostać odkryte, gdyż powodują rozciąganie i kurczenie się przestrzeni, w której się rozchodzą. Fala grawitacyjna padająca na kulistą masę (a) rozciągnie ją w jedną stronę i skurczy w kierunku prostopadłym (b). Następnie obszar ściśnięty zostanie rozciągnięty (c) i takie odkształcenia będą się powtarzały z częstością padającej fali (d i e). Odkształcenia pokazano tu w sposób mocno przesadzony; fale grawitacyjne są na ogół niezwykle słabe i nie wywołują mierzalnych efektów.

Gładki wszechświat We Wszechświecie bez zaburzeń gęstości i fal grawitacyjnych promieniowanie mikrofalowe tła (MPT) będzie idealnie jednorodne.

Zaburzony wszechświat Niezwykle szybkie rozszerzanie się Wszechświata zaraz po Wielkim Wybuchu spowodowało powstanie fal grawitacyjnych. Fale te rozrzedzały i kurczyły pierwotną plazmę, wprawiając ją w ruch na sferycznej powierzchni, z której zostało wyemitowane promieniowanie MPT. Ruchy te z kolei spowodowały przesunięcie w stronę czerwonej lub niebieskiej części widma fotonów promieniowania MPT i jego polaryzację. Na rysunku pokazano zaburzenie spowodowane przez falę grawitacyjną poruszającą się między biegunami, jej długość wynosi jedną czwartą promienia sfery.

Ślady odciśnięte w promieniowaniu Inflacyjne fale grawitacyjne powinny pozostawić wyraźny ślad w mikrofalowym promieniowaniu tta. Oto jak wygląda symulacja wahań temperatury i rozkładu polaryzacji, które mogły powstać w wyniku zaburzeń. Czerwone i niebieskie plamy to zimniejsze i cieplejsze obszary MPT, a krótkie odcinki obrazują rozkład kąta polaryzacji promieniowania MPT na całej sferze niebieskiej.

Historia wszechświata Podczas inflacji - okresu niezwykle szybkiego rozszerzania się Wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu - dzięki procesom kwantowym powstawały fale grawitacyjne. Fale te rozchodziły się w pierwotnej plazmie i zaburzały MPT, które zostało wyemitowane około 500 tyś. lat później. Obserwując dziś odpowiednio precyzyjnie MPT, kosmolodzy mogą odkryć ruch plazmy spowodowany przez inflacyjne fale grawitacyjne.

Stała kosmologiczna    Albert Einstein podczas prób sformułowania w 1917 roku statycznego modelu Wszechświata był przekonany, że Wszechświat jest niezmienny, nie kurczy się ani nie rozszerza. Aby otrzymać taki niezmienny stan w swojej ogólnej teorii względności, musiał wprowadzić energię próżni, czyli - używając jego terminologii - stałą kosmologiczną, dobierając jej wartość tak, by odpowiadająca jej uniwersalna siła odpychająca równoważyła dokładnie grawitacyjne przyciąganie materii. Później, gdy astronomowie stwierdzili, że Wszechświat się rozszerza, Einstein żałował posłużenia się tą hipotezą, uznając to wręcz za swoją największą pomyłkę. Ale był chyba w tym osądzie nazbyt surowy. Gdyby stała kosmologiczna miała nieco większą wartość, niż postulował, związane z nią odpychanie przewyższałoby grawitację materii i kosmiczna ekspansja uległaby przyśpieszeniu. Wielu kosmologów skłania się jednak obecnie ku innej koncepcji, zwanej kwintesencją. Termin ten, oznaczający dosłownie "piąty pierwiastek", nawiązuje do filozofii starożytnych Greków, którzy uważali, że oprócz ziemi, powietrza, ognia i wody Wszechświat składa się z nieuchwytnej substancji, która zapobiega spadnięciu Księżyca i planet do środka sfery niebieskiej. W 1998 r Robert R. Caldwell, Rahul Dave i Steinhardt, wszyscy pracujący wówczas w University of Pennsylvania, użyli tego pojęcia na określenie dynamicznego pola kwantowego, podobnego do pola elektrycznego czy magnetycznego, charakteryzującego się odpychającym oddziaływaniem grawitacyjnym. Najbardziej atrakcyjną dla kosmologów cechą kwintesencji jest jej dynamiczny charakter. Podstawowym zadaniem każdej teorii ciemnej energii jest wyjaśnienie jej specyficznej ilości - ma jej być tak mało, by nie przeszkodziła powstawaniu gwiazd i galaktyk we wczesnym Wszechświecie, lecz tak dużo, by jej wpływ stał się zauważalny obecnie. Gęstość energii próżni, nie podlegającej żadnym procesom fizycznym, jest niezmienna, a zatem by wyjaśnić aktualną ilość ciemnej energii, trzeba przyjąć dokładnie dobraną wartość stałej kosmologicznej na początku Wszechświata, co wprowadza do teorii czynnik zupełnie arbitralny. Kwintesencja natomiast, oddziałując z materią, ewoluuje w czasie, może w naturalny sposób przyjmować różne wartości, w tym także tę, którą właśnie obserwujemy. Dwie trzecie świata rzeczywistego Rozstrzygnięcie między tymi dwiema możliwościami ma dla fizyki zasadnicze znaczenie. Nowe postacie energii i materii odkrywamy, posługując się akceleratorami wysokich energii. W przypadku ciemnej energii mamy jednak do czynienia z energią o zbyt małej gęstości i zbyt słabo oddziałującą, aby ją badać za pomocą akceleratorów. To, czy ma ona charakter statyczny, czy dynamiczny, może odegrać decydującą rolę w poszukiwaniach fundamentalnej teorii przyrody. Fizycy cząstek przekonują się, że muszą dokładnie śledzić nie tylko eksperymenty w akceleratorach, ale i to, co dzieje się na niebie. Istnienie ciemnej energii potwierdzano stopniowo w ciągu ostatniego dziesięciolecia. Pierwszym krokiem było wyznaczenie ilości poszczególnych form materii występujących w galaktykach i gromadach galaktyk za pomocą różnych technik obserwacyjnych w zakresie optycznym, radiowym i rentgenowskim. Badania te pozwoliły jednoznacznie stwierdzić, że łączna gęstość pierwiastków chemicznych i ciemnej materii stanowi zaledwie około jednej trzeciej wartości postulowanej przez większość teoretyków - tzw. gęstości krytycznej. Wielu kosmologów potraktowało to jako oznakę, że wbrew przewidywaniom teoretyków, żyjemy w rozszerzającym się w nieskończoność Wszechświecie o krzywiźnie hiperbolicznej niczym wylot trąbki. Interpretacji tej przeczyły jednak pomiary rozkładu gorących i zimnych obszarów mikrofalowego promieniowania tła, wykazujące, że przestrzeń jest płaska i całkowita gęstość energii równa gęstości krytycznej. Jeśli uwzględnimy obie te obserwacje, z prostego rachunku wynika konieczność wprowadzenia dodatkowej energii, której wkład wyrównałby brakujące dwie trzecie całkowitej gęstości energii. Składowa ta nie może pochłaniać ani emitować światła, gdyż w przeciwnym wypadku zostałaby już dawno wykryta. Pod tym względem ten nowy rodzaj energii - zwany ciemną energią - przypomina ciemną materię. Różni się jednak od niej pod jednym istotnym względem: jego oddziaływanie grawitacyjne musi mieć charakter odpychający, gdyż inaczej, wciągnięty w obręb galaktyk i gromad galaktyk, wpływałby dynamicznie na materii widoczną. Żadnego takiego wpływu jednak nie zaobserwowano. Ponadto grawitacja odpychająca rozwiązuje tzw. problem wieku, trapiący kosmologów od początku lat dziewięćdziesiątych. Z pomiarów obecnego tempa ekspansji, przy założeniu, że ulega ona spowolnieniu, wynikałoby, że wiek Wszechświata wynosi mniej niż 12 mld lat. Tymczasem obserwacje świadczą o tym, że niektóre gwiazdy w naszej galaktyce liczą sobie 15 mld lat. Przyśpieszając tempo ekspansji Wszechświata, odpychanie pozwala pogodzić obliczony wiek Wszechświata z obserwowanym wiekiem ciał niebieskich Potencjalnym zagrożeniem dla tej argumentacji był fakt niezaobserwowania bezpośrednio przyśpieszania ekspansji. To ostatnie ogniwo udało się uzupełnić dopiero w 1998 roku. Dwie niezależne grupy badaczy wykorzystując pomiary odległych supernowych, wykryły, że tempo ekspansji Wszechświata ulega przyśpieszeniu i to dokładnie tak, jak przewidywano. Wszystkie te obserwacje sprowadzają się do określenia trzech wartości liczbowych: średniej gęstości materii (zarówno zwykłej, jak i ciemnej), średniej gęstości ciemnej energii i krzywizny przestrzeni. Równania Einsteina wymagają, by wymienione trzy liczby sumowały się do gęstości krytycznej. Ich możliwe kombinacje da się zwięźle przedstawić na trójkątnym diagramie. Trzy zbiory wyników obserwacyjnych - dotyczące ilości materii, kosmicznego promieniowania tlą i supernowych - odpowiadają kolorowym pasmom wewnątrz trójkąta. To, że te trzy obszary przecinają się w tym samym miejscu, stanowi bardzo przekonujący argument za istnieniem ciemnej energii. OD IMPLOZJI DO EKSPLOZJI    Na co dzień mamy do czynienia wyłącznie ze zwykłą materią, która przyciąga grawitacyjnie, zatem trudno jest sobie wyobrazić, jak ciemna energia mogłaby działać odpychająco. Zasadniczą rolę odgrywa tu ujemne ciśnienie. W prawie grawitacji Newtona ciśnienie nie występuje - siła grawitacji zależy tylko od masy. Jednak w teorii Einsteina siła grawitacji zależy nie tylko od masy, lecz także od innych form energii oraz ciśnienia. Ciśnienie oddziałuje zatem podwójnie : bezpośrednio (ciśnienie wywierane na otaczającą materię) i pośrednio (grawitacja wywołana tym ciśnieniem). Znak siły grawitacyjnej określa algebraiczna formuła, w której występuje całkowita gęstość energii oraz trzykrotność ciśnienia. Jeśli ciśnienie jest dodatnie, jak w przypadku promieniowania, materii zwykłej i ciemnej, kombinacja ta jest dodatnia i grawitacja działa przyciągające. Jeśli ciśnienie ma wystarczająco dużą wartość ujemną, jest ona ujemna i grawitacja odpycha. Konkretnie - kosmolodzy rozpatrują równanie, zwane równaniem stanu, określające związek między ciśnieniem a gęstością, które w tym przypadku można zapisać jako iloraz ciśnienia i gęstości energii równy w. Dla zwyczajnego gazu w jest dodatnie i proporcjonalne do jego temperatury. Istnieją jednak układy, dla których w może przyjmować wartości ujemne. Gdy w spada poniżej -Vs, grawitacja zaczyna odpychać. Warunek ten spełnia energia próżni (jeśli jej gęstość jest dodatnia). Wynika to z prawa zachowania energii, zgodnie z którym energii nie można zniszczyć. Można podać matematyczne sformułowanie tego prawa, które stwierdza, że tempo zmian gęstości energii jest proporcjonalne do w + l. W przypadku energii próżni - której gęstość z definicji się nie zmienia - wyrażenie to musi być równe zeru. Innymi słowy, w równa się dokładnie -l. A zatem ciśnienie jest ujemne. Co tak naprawdę oznacza ujemne ciśnienie? Większość gorących gazów ma ciśnienie dodatnie; energia kinetyczna atomów i promieniowania naciska na ścianki pojemnika w kierunku na zewnątrz. Zauważmy, że bezpośredni efekt dodatniego ciśnienia - rozpychanie - jest przeciwny do jego efektu grawitacyjnego - ściskania. Można sobie jednak wyobrazić oddziaływanie między atomami, które przezwyciężając energię kinetyczną, powoduje implozję gazu. Taki gaz ma ujemne ciśnienie. Wyobraźmy sobie, że taki implodujący gaz wypełnia całą przestrzeń. Nie istnieje wtedy żadna powierzchnia ograniczająca ani ciśnienie zewnętrzne. Gaz ma ujemne ciśnienie, ale nie ma na co naciskać, a więc nie wywiera żadnego bezpośredniego wpływu, lecz jedynie efekt grawitacyjny - odpychanie - które powoduje rozciągnięcie przestrzeni, zwiększając jej objętość, a tym samym ilość energii próżni. W ten sposób dochodzi do dodatniego sprzężenia zwrotnego i Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie. Wzrost energii próżni następuje kosztem pola grawitacyjnego. Tego rodzaju rozważania mogą się wydawać dziwne i nawet Einsteinowi trudno było je zaakceptować. Uważał on model statycznego Wszechświata, stanowiący pierwotną motywację wprowadzenia energii próżni, za fatalny błąd, który trzeba jak najszybciej naprawić. Ale stała kosmologiczna, raz wprowadzona, nie chciała zniknąć. Wkrótce teoretycy odkryli, że pola kwantowe mają skończoną wartość energii próżni, stanowiącej przejaw fluktuacji kwantowych, które stwarzają „z niczego" pary wirtualnych cząstek. Oszacowanie całkowitej gęstości energii próżni wytwarzanej przez wszystkie znane pola daje olbrzymią wartość - 120 rzędów wielkości większą niż gęstość energii całej pozostałej materii. Chociaż trudno to sobie wyobrazić, oznaczałoby to, że nieuchwytne cząstki wirtualne wnoszą wkład w postaci dodatniej, stałej gęstości energii, a więc o ujemnym ciśnieniu. Gdyby oszacowanie to było poprawne, olbrzymie przyśpieszenie ekspansji rozerwałoby atomy, gwiazdy i galaktyki, a zatem musi być błędne. Jednym z głównych celów zunifikowanych teorii grawitacji jest wyjaśnienie, dlaczego tak właśnie się dzieje. Jedna z możliwości polega na tym, że jakaś nie odkryta dotąd głęboka symetria fizyczna powoduje wzajemne znoszenie się dużych wartości, czego rezultatem jest zerowa energia próżni. Na przykład że fluktuacje kwantowe wirtualnych par cząstek wnoszą dodatni wkład energetyczny w przypadku cząstek o spinie połówkowym, jak kwarki i elektrony, natomiast ujemny wkład energii dla cząstek o spinie całkowitym, jak fotony. W standardowych teoriach wkłady te nie znoszą się dokładnie i wypadkowa gęstość energii jest nazbyt duża. Fizycy rozpatrują jednak alternatywne modele z tzw. supersymetrią - związkiem między tymi dwoma rodzajami cząstek, który może prowadzić do dokładnego znoszenia się ich wkładów energetycznych. Poważny problem stanowi tu jednak fakt, że supersymetria wymaga bardzo wysokich energii. Teoretycy usiłują obecnie znaleźć mechanizm, który działałby w ten sposób również przy niższych energiach. Inną ewentualnością jest to, że energia próżni nie równa się jednak dokładnie zeru. Gdyby procesy prowadzące do jej wyzerowania nie były do końca efektywne, lecz wkłady energetyczne znosiłyby się jedynie z dokładnością do 120 miejsc dziesiętnych, energia próżni mogłaby stanowić brakujące dwie trzecie Wszechświata. Wydaje się to jednak mało prawdopodobne. Jaki proces fizyczny działałby z taką dokładnością ? Jakkolwiek masa odpowiadająca ciemnej energii jest olbrzymia, jej gęstość jest tak niska, że na milimetr sześcienny przypadają zaledwie 4 eV - z punktu widzenia fizyki cząstek wartość niewyobrażalnie mała. Najsłabsze ze znanych w przyrodzie oddziaływań ma gęstość energii l O50 razy większą. TAJEMNICZE POLE    Gdy spojrzymy wstecz, własności energii próżni stają się jeszcze bardziej paradoksalne. Dzisiaj gęstości materii i ciemnej energii są porównywalne. Jednak gdy zaistniały one przed miliardami lat, nasz Wszechświat był wielkości grejpfruta, zatem materia była o 100 rzędów wielkości gęstsza, natomiast stała kosmologiczna miała tę samą wartość co obecnie. Innymi słowy, na każde 10100 części materii przypadała jedna część energii próżni - wydaje się absurdem, by takiej precyzji, możliwej w wyidealizowanym przypadku matematycznym, oczekiwać od procesów zachodzących w świecie rzeczywistym. Właśnie aby wyeliminować tę potrzebę niemalże nadprzyrodzonego dopasowania, zaczęto poszukiwać alternatyw dla stałej kosmologicznej. Na szczęście nie tylko energia próżni generuje ujemne ciśnienie. Jego źródłem może być też energia, która w przeciwieństwie do energii próżni zmienia się w przestrzeni i czasie - możliwe energie tego typu określono wspólnym mianem kwintesencji. W tym przypadku w nie ma ustalonej wartości, ale musi być mniejsze od -V3, aby grawitacja działała odpychająco. Możliwe są rozmaite modele z udziałem kwintesencji. W najprostszych z nich wprowadza się pole kwantowe, którego energia zmienia się tak powoli, że wygląda z pozoru jak stała energia próżni. Pomysł ten został przejęty z kosmologii inflacyjnej, w której pole kosmiczne zwane inflatonem za pośrednictwem tego samego mechanizmu napędza gwałtowną ekspansję w bardzo wczesnym Wszechświecie. Istotną różnicę stanowi jednak to, że kwintesencja jest znacznie słabsza od inflatonu. Możliwość tę rozważyli po raz pierwszy 10 lat temu Christof Wetterich z Uniwersytetu w Heidelbergu oraz Bharat Ratra zatrudniony obecnie w Kansas State University i P. James E. Peebles z Princeton University. W teorii kwantowej procesy fizyczne można opisywać w kategoriach pól lub cząstek. Ponieważ jednak kwintesencja ma tak niską gęstość energii i zmienia się tak powoli, cząstka kwintesencji musiałaby być niewiarygodnie lekka i duża - wielkości supergromady galaktyk. Bardziej odpowiedni wydaje się zatem opis polowy. Teoretyczne pojęcie pola oznacza ciągły rozkład energii, który przypisuje każdemu punktowi w przestrzeni wartość liczbową, zwaną natężeniem pola. Energia zawarta w polu dzieli się na energię kinetyczną zależną od zmienności natężenia pola w czasie oraz potencjalną zależną tylko od samego natężenia pola. W miarę jak pole podlega zmianom, zmienia się także względny udział tych składowych. Jak pamiętamy, w przypadku energii próżni ujemne ciśnienie wynikało bezpośrednio z zasady zachowania energii, która wymaga, by każda zmiana gęstości energii była proporcjonalna do sumy gęstości energii (wartość dodatnia) i ciśnienia. W przypadku energii próżni zmiana ta jest równa zeru, więc ciśnienie musi być ujemne. Zmienność kwintesencji jest tak niewielka, że ciśnienie wciąż ma ujemną wartość. Oznacza to, że udział energii potencjalnej przewyższa kinetyczną. Ze względu na to, że ciśnienie kwintesencji jest mniej ujemne, nie przyśpiesza ona ekspansji Wszechświata tak bardzo, jak energia próżni. Ta własność pozwoli obserwatorom zdecydować, która z koncepcji jest prawdziwa. Na razie kwintesencja wydaje się bardziej zgodna z dostępnymi danymi, ale potwierdzenia tego nie można jeszcze uznać za statystycznie znaczące. Kolejna różnica polega na tym, że w przeciwieństwie do energii próżni pole kwintesencji może w dowolny sposób ewoluować w czasie. Wartość w może być raz dodatnia, raz ujemna, a potem znowu dodatnia. Może również przyjmować różne wartości w różnych miejscach. Chociaż sądzimy, że niejednorodności te są małe, powinny dać się wykryć przy badaniu mikrofalowego promieniowania tła. Kwintesencja w wielu wymiarach ? Kolejną różnicą jest fakt, że kwintesencja może podlegać zaburzeniom. Mogą się w niej rozchodzić fale na podobieństwo fal dźwiękowych w powietrzu. Mówiąc żargonem fizyków, kwintesencja jest miękka, podczas gdy stała kosmologiczna Einsteina jest sztywna - nie podatna na żadne wpływy. Rodzi się więc interesujące pytanie. Każda znana postać energii jest do pewnego stopnia miękka. Niewykluczone, że sztywność stałej kosmologicznej to idealizacja, w rzeczywistości niemożliwa. Kwintesencja z w bliskim -l byłaby wtedy jej najlepszym przybliżeniem. Stwierdzenie, że kwintesencja jest polem, to zaledwie pierwszy krok do jej zrozumienia. Skąd to pole by się brało? Fizycy cząstek są w stanie podać wyjaśnienia najróżniejszych zjawisk, od struktury atomów po pochodzenie masy, jednak na temat kwintesencji nikt się nie wypowiada. Współczesne teorie cząstek elementarnych znają wiele rodzajów pól, które mogłyby zachowywać się w wymagany sposób, zbyt mało wiemy jednak o ich energii kinetycznej i potencjalnej, aby stwierdzić, czy ewentualnie któreś z nich mogłoby wytwarzać dzisiaj ujemne ciśnienie. Najbardziej egzotyczną możliwość przedstawia hipoteza, że kwintesencja ma związek z fizyką dodatkowych wymiarów. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat teoretycy badali teorię strun, która może połączyć ogólną teorię względności i mechanikę kwantową w jedną zunifikowaną teorię oddziaływań fundamentalnych. Zasadniczą własnością modeli opartych na teorii strun jest to, że przewidują one istnienie 10 wymiarów. Cztery z nich to znane nam trzy wymiary przestrzenne i czas. Pozostałe sześć musi być wymiarami ukrytymi. W pewnych ujęciach tej teorii są one zwinięte w okrąg o promieniu zbyt małym, aby można je było wykryć, w każdym razie urządzeniami, którymi obecnie dysponujemy. Alternatywną koncepcję stanowi najnowsze rozszerzenie teorii strun, zwane M-teorią, które wprowadza jedenasty wymiar - zwykła materia może istnieć tylko na dwóch trójwymiarowych powierzchniach zwanych branami (uogólnienie dwuwymiarowych membran) oddzielonych niewielką przerwą wzdłuż jedenastego wymiaru. Dodatkowych wymiarów nie jesteśmy w stanie zobaczyć, ale jeśli są realne, powinniśmy stwierdzić ich obecność w sposób pośredni. W istocie obecność zwiniętych wymiarów lub pobliskich bran powinna przejawiać się jako pole. Wartość liczbowa przypisywana przez to pole każdemu punktowi w przestrzeni odpowiadałaby promieniowi zwiniętych wymiarów lub odległości między branami. Jeśli ten promień lub odległość zmieniają się powoli w miarę ekspansji Wszechświata, może to dokładnie imitować hipotetyczne pole kwintesencji. Co za zbieg okoliczności! Niezależnie od tego, skąd wzięła się kwintesencja, jej dynamiczny charakter pozwala uniknąć kłopotliwego problemu dokładnego dopasowania. Jednym ze sposobów podejścia do tego zagadnienia jest postawienie pytania, dlaczego kosmiczna ekspansja ulega przyśpieszaniu akurat w tej właśnie chwili kosmicznej historii. Ciemna energia, która powstała, gdy Wszechświat liczył sobie l O"35 s, nie ujawniała się przez około 10 mld lat - a więc przez czas l O50 razy dłuższy. Z danych obserwacyjnych wynika, że dopiero wtedy wzięła górę nad materią i spowodowała, że Wszechświat zaczął przyśpieszać. Czyż to nie dziwny zbieg okoliczności, że dokładnie w chwili pojawienia się istot myślących Wszechświat nagle wszedł w fazę przyśpieszonej ekspansji ? Losy materii i ciemnej energii najwyraźniej są jakoś ze sobą sprzężone. Ale w jaki sposób ? Jeśli ciemną energię stanowi energia próżni, niezmiernie trudno podać jakiekolwiek wytłumaczenie tego zbiegu okoliczności. Niektórzy badacze, m.in. Martin Rees z University of Cambridge i Steven Weinberg z University of Texas w Austin, próbowali go wyjaśnić, posługując się argumentami antropicznymi. Może nasz Wszechświat to tylko jeden z wielu wszechświatów, w których energia próżni przyjmuje różne wartości ? Wszechświaty o energii próżni dużo większej niż 4 eV/mm3 mogą występować znacznie częściej, ale ekspandują nazbyt szybko, aby powstały w nich gwiazdy, galaktyki czy życie. Wszechświaty o znacznie niższych energiach próżni byłyby bardzo rzadkie. Nasz miał optymalną wartość energii próżni i tylko w tym „najlepszym ze światów" mogły żyć istoty zdolne do refleksji nad naturą wszech rzeczy. Jednak wśród fizyków nie ma zgodności co do tego, czy argumenty odwołujące się do zasady antropicznej stanowią możliwe do przyjęcia wytłumaczenie. Bardziej zadowalające wyjaśnienie, odwołujące się do szczególnej postaci kwintesencji zwanej polem śledzącym, badali Ratra i Peebles oraz Steinhardt, Ivaylo Zlatev i Limin Wang z University of Pennsylvania. Równania opisujące pola śledzące zachowują się jak klasyczne atraktory, podobne do tych, które występują w niektórych układach chaotycznych. Układy takie osiągają ten sam stan końcowy dla dużego zakresu warunków początkowych. Kulka poruszająca się w pustej wannie znajdzie się w końcu zawsze w odpływie, niezależnie od tego, z jakiego miejsca została wypuszczona. Podobnie wartość początkowa gęstości energii pola śledzącego nie musi być dokładnie dobrana, ponieważ pole i tak wkrótce osiągnie tę wartość. Jego trajektoria dynamiczna ograniczona jest do obszaru, w którym jego gęstość energii stanowi niemal stały ułamek gęstości promieniowania i materii. W tym sensie kwintesencja naśladuje materię i promieniowanie, chociaż jest czymś zupełnie innym. Dzieje się tak dlatego, że gęstość materii i promieniowania wyznacza tempo kosmicznej ekspansji, które z kolei określa tempo zmian gęstości kwintesencji. Dokładniejsze obliczenia wykazują, że ułamek ten powoli rośnie. Dopiero po wielu milionach, a nawet miliardach lat kwintesencji udaje się dogonić materię. Dlaczego więc nastąpiło to właśnie w tej chwili? Przyśpieszanie kosmicznej ekspansji mogło się równie dobrze rozpocząć w odległej przeszłości, jak i przyszłości, zależnie od doboru stałych w teorii pól śledzących. Znów więc mielibyśmy do czynienia ze zbiegiem okoliczności. Możliwe jednak, że jakieś zdarzenie, które zaszło stosunkowo niedawno, zapoczątkowało przyśpieszanie. Steinhardt oraz Christian Armendariz Picon i Viatcheslav Mukhanov z Ludwig-Maximilians-Universitat w Monachium przypuszczają, że taką rolę mogło odegrać przejście od dominacji promieniowania do dominacji materii we Wszechświecie. Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu we wczesnych etapach istnienia Wszechświata jego energia zawarta była głównie w promieniowaniu. Jednak w miarę ochładzania się Wszechświata promieniowanie traciło energię szybciej niż materia. Po upływie kilkudziesięciu tysięcy lat - a więc stosunkowo niedawno w logarytmicznej skali czasu - energia materii zdobyła przewagę. Zmiana ta zapoczątkowała erę dominacji materii, dzięki czemu możliwe stało się także nasze istnienie. Dopiero wówczas grawitacja mogła zacząć skupiać materię, tworząc galaktyki i jeszcze większe struktury. Jednocześnie zmieniło się tempo ekspansji Wszechświata. W pewnym wariancie modeli pól śledzących zmiana ta zapoczątkowała serię zdarzeń, które doprowadziły do obecnego przyśpieszania ekspansji. Przez większą część historii Wszechświata kwintesencja imitowała energię promieniowania, nie odgrywając w skali kosmicznej żadnej istotnej roli. Gdy jednak we Wszechświecie zaczęła dominować materia, zmiana tempa ekspansji wymusiła na kwintesencji zaprzestanie naśladownictwa. Nie podążając już śladem promieniowania ani nawet materii, ciśnienie kwintesencji przyjęło wartości ujemne. Jej gęstość utrzymująca się przez cały czas na niemal stałym poziomie w końcu prześcignęła malejącą gęstość materii. W tej teorii fakt, że istoty myślące i przyśpieszanie ekspansji pojawiły się mniej więcej w tym samym czasie, nie stanowi już zbiegu okoliczności. Zarówno powstanie gwiazd i planet, na których mogło rozwinąć się życie, jak i przekształcenie kwintesencji w składową o ujemnym ciśnieniu, okazuje się skutkiem nastania ery dominacji materii. W najbliższym czasie wysiłki kosmologów skupiać się będą na potwierdzeniu obecności kwintesencji na podstawie jej skutków obserwacyjnych. Ponieważ odpowiada jej inna wartość w niż w przypadku energii próżni, tempo przyśpieszania ekspansji również jest odmienne. Dokładniejsze pomiary supernowych w większym zakresie odległośd pozwolą prawdopodobnie rozróżnić oba przypadki. W tym celu astronomowie zaproponowali zbudowanie dwóch nowych instrumentów - obserwatorium orbitalnego o nazwie Supemova Acceleration Próbę - oraz teleskopu naziemnego Large-Aperture Synoptic Survey Telescope. Różnice tempa przyśpieszania powodują również niewielkie różnice w rozmiarach kątowych gorących i zimnych plam w rozkładzie promieniowania tła kosmicznego, możliwe d wykrycia za pomocą satelitów Microwave Anisotropy Próbę i Pianek. Inne metody polegają na pomiarze, jak zmienia się liczba galaktyk ze wzrostem przesunięcia ku czerwieni, co pozwoli określić, jak zmieniało się tempo ekspansji Wszechświata w przeszłości. Badaniem tego efektu zajmie się sonda Deep Extragalactic Evolutionary Próbę. W dłuższej perspektywie powinniśmy zastanowić się nad głębokimi wnioskami wypływającymi z tych rewolucyjnych odkryć. Prowadzą one do nowej interpretacji naszego miejsca w kosmicznej historii. Na początku (lub przynajmniej w najwcześniejszej epoce, o której jesteśmy w stanie cokolwiek powiedzieć) była inflacja, okres przyśpieszonej ekspansji w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Przestrzeń była wówczas niemal całkowicie pozbawiona materii i dominującą rolę odgrywało w niej podobne do kwintesencji pole kwantowe o ujemnym ciśnieniu. W tym czasie Wszechświat rozszerzył się o czynnik większy niż przez 15 mld lat, które upłynęły od chwili zakończenia inflacji. Pod koniec ery inflacji pole to rozpadło się na gorący gaz kwarków, gluonów, elektronów, fotonów i ciemnej energii. Przez tysiące lat przestrzeń była tak gęsto wypełniona promieniowaniem, że nie mogły powstać nawet atomy, nie mówiąc już o większych strukturach. Potem dominować zaczęła materia. Następny etap kosmicznej historii - epoka, w której żyjemy - to czas stopniowego ochładzania, formowania się i ewolucji złożonych struktur o coraz większych rozmiarach. Okres ten jednak dobiega już końca. Ponownie następuje przyśpieszanie kosmicznej ekspansji. Wygląda na to, że Wszechświat, jaki znamy, pełen świecących gwiazd, galaktyk i ich gromad, jest tylko krótkim epizodem między dwiema fazami przyśpieszonej ekspansji. Gdy w ciągu następnych dziesiątek miliardów lat przyśpieszanie nabierze większego tempa, materia i energia we Wszechświecie ulegną coraz większemu rozrzedzeniu, a przestrzeń będzie się rozszerzała zbyt szybko, aby mogły powstawać nowe struktury. Kosmos stanie się miejscem coraz bardziej nieprzyjaznym dla istot żywych. Jeśli przyśpieszanie to powoduje energia próżni, całą historię kosmosu już właściwie znamy - oglądane obecnie planety, gwiazdy i galaktyki stanowią szczytowy wytwór kosmicznej ewolucji. Jeśli jednak przyśpieszanie wywołuje kwintesencja, dalsze losy Wszechświata nie zostały jeszcze przesądzone. Może on przyśpieszać w nieskończoność, ale niewykluczone również, że kwintesencja ulegnie rozpadowi na jakieś nowe formy materii i promieniowania, które ponownie wypełnią Wszechświat. Ze względu na niezwykle małą gęstość ciemnej energii można by się spodziewać, że produkty jej rozpadu będą miały zbyt małą energię, aby odegrać jakąkolwiek istotniejszą rolę. Jednak w pewnych okolicznościach rozpad kwintesencji mógłby polegać na tworzeniu się pęcherzyków. Wnętrze takiego pęcherzyka byłoby puste, ale na jego ściankach zachodziłyby gwałtowne procesy fizyczne. Rozciągając się, ścianki przejmowałyby całą energię powstałą w wyniku rozpadu kwintesencji. Co jakiś czas pęcherzyki zderzałyby się ze sobą, powodując efektowne kosmiczne fajerwerki. W wyniku tego procesu mogłyby powstać masywne cząstki, takie jak protony i neutrony - a może nawet gwiazdy i planety. Przyszłym mieszkańcom Wszechświat wydawałby się wtedy bardzo niejednorodny, a życie ograniczałoby się do pojedynczych dalekich wysp otoczonych bezmiernymi pustkami. Czy kiedykolwiek odkryliby oni, że początek dał im jednorodny i izotropowy Wszechświat, który dziś znamy? Czy kiedykolwiek mieliby okazję dowiedzieć się, że istniejące już kiedyś we Wszechświecie życie wyginęło, lecz potem otrzymało drugą szansę? Być może obserwacje dostarczą nam wkrótce wskazówek dotyczących naszej przyszłości. Czy będzie to ślepa uliczka energii próżni czy też niewyczerpany potencjał kwintesencji? Ostateczna odpowiedź zależy od tego, czy kwintesencja wejdzie w skład fundamentalnych procesów przyrody - w ramach choćby teorii strun. W ten sposób nasze miejsce w dziejach Wszechświata zależy od powiązań między fizyką bardzo dużych i bardzo małych skal.

Osie na tym diagramie sporządzonym na podstawie obserwacji kosmologicznych odpowiadają możliwym wartościom trzech kluczowych parametrów Wszechświata. Jeśli Wszechświat jest płaski, jak to sugeruje teoria inflacji, zakresy tych wielkości wyznaczone za pomocą obserwacji różnego typu (kolorowe obszary) i linia zerowej krzywizny (czerwona linia) powinny mieć część wspólną. W chwili obecnej dane dotyczące promieniowania tta pokrywają się nieco lepiej z danymi pozostałych typów, jeśli ciemną energię stanowi kwintesencja (linia przerywana), a nie siata kosmologiczna (zielony obszar).

Gtównym składnikiem Wszechświata jest "ciemna energia", czyli stała kosmologiczna lub pole kwantowe zwane kwintesencją. Pozostałe elementy to ciemna materia złożona z egzotycznych cząstek elementarnych, zwykła materia (świecąca i nieświecąca) oraz śladowe ilości promieniowania.

Jeśli ciemna energia ma postać stałej kosmologicznej, jej gęstość musi być dokładnie dopasowana, tak aby zaczęła przeważać nad gęstością materii w nieodległej przeszłości (A). Dla odmiany kwintesencji, zwanej polem śledzącym (B), każda początkowa wartość gęstości (linia przerywana) zbiega do wielkości (niebieska linia), która ewoluuje dokładnie jak gęstość promieniowania aż do momentu, gdy we wszechświecie zacznie dominować materia, co zatrzymuje gęstość kwintesencji na stałym poziomie i zapoczątkowuje przyśpieszanie ekspansji.

Tempo rozszerzania się Wszechświata zależy od tego, która postać energii odgrywa rolę dominującą. Materia powoduje spowolnienie ekspansji, natomiast stała kosmologiczna jej przyśpieszenie. Kwintesencja zachowuje się pośrednio : wywołuje przyśpieszenie ekspansji, lecz w mniejszym stopniu. Przyśpieszanie może się później zakończyć lub nie (linie przerywane).

To, czy energia oddziałuje grawitacyjnie przyciągająco, czy odpychająco, zależy od jej ciśnienia. Jeżeli ciśnienie jest zerowe lub dodatnie, jak w przypadku promieniowania i materii, grawitacja działa przyciągająco (zagłębienia na rysunku przedstawiają studnie potencjału). Promieniowanie ma większe ciśnienie, więc jego przyciąganie jest silniejsze. W przypadku kwintesencji ciśnienie jest ujemne i grawitacja działa odpychająco (zagłębienia przechodzą w wypukłości).