Mörk energi och vakuumenergi kan mycket väl vara samma sak, men det är trots allt olika begrepp, och det finns mycket om detta som man förstår förskräckligt dåligt. Dessutom finns det några till relaterade begrepp: den kosmologiska konstanten, kosmologisk inflation, kvintessens och faktiskt även multiversum. Lite historia igen.
Först på banan var den kosmologiska konstanten Λ, som uppfanns teoretiskt av Einstein för ca hundra år sen, för att kunna få lösningar till sin allmänna relativitetsteori där universum var stationärt och varken expanderade eller krympte. En sådan konstant är väldigt naturlig i teorin, och en liten sådan skulle inte ha någon påverkan alls på så små skalor som inom galaxer. Men på större skalor skulle den ge en sorts repulsiv kraft mellan galaxerna, vilket precis skulle kunna motverka gravitationen från vanlig materia och därmed ge ett statiskt universum -- som alla då trodde att universum var. Men ganska snart visade nya analyser att sådana lösningar är ungefär lika instabila som en spik som balanserar på sin spets. Även en extremt liten störning skulle få ett sådant universum att aningen börja kollapsa eller att börja med en accelererad expansion! När sedan nya mätningar visade att universum faktiskt expanderar fanns det ingen poäng i att behålla konstanten, så Einstein kallade den för sin största blunder och alla försökte att bara glömma den.
Nästa ut på banan var vakuumenergi, som uppkommer naturligt i elementarpartiklarnas fysik när den beskrivs med kvantfältteori. Eftersom vakuum måste se likadant ut för alla observatörer, oavsett hur snabbt de rör sig genom det, så måste denna energi uppföra sig precis som Einsteins kosmologiska konstant! (Som naturligtvis också är oberoende av hur snabbt en observatör rör sig.) I själva verket fick man sjukt mycket vakuumenergi, faktiskt t o m att den verkade kunna bli oändligt stor, vilket man ju förstod måste vara fel. Nu har det dock visat sig att olika sorters partiklar ger olika tecken på sina bidrag, så med lite tur skulle det kunna visa sig att plus och minus precis balanserar ut varandra till noll! Och precis så verkar det också bli i s k supersymmetriska teorier för partikelfysik. Så fram t o m slutet på 90-talet var det just detta som fysikerna hoppades på: den rätta teorin om allting (TOE, Theory Of Everything) var nog supersymmetrisk, kanske t ex en supersymmetrisk strängteori, och därmed var både den kosmologiska konstanten och vakuumenergi lika med noll!
Enter dark energy. På slutet av 90-talet visade mätningar att universums expansion accelererar! Bam! Och alltså finns det ändå något som fungerar som en kosmologisk konstant eller som vakuumenergi. Case closed? Inte så bråttom... För om vakuumenergin inte är noll pga perfekt cancellering mellan plus och minusbidrag, så gav teoretiska beräkningsförsök att den borde vara verkligen skitstor -- typ en Planckenergi per Planckvolym, eller ca 10¹²⁰ gånger större än vad man fick fram från mätningar på universums accelererande expansion! Vilket med rätta har kallats för "the worst theoretical prediction in the history of physics".
Men det finns även andra tänkbara sätt som man kan få något som uppför sig som en kosmologisk konstant. S k skalärfält kan ge ett sådant beteende iaf för en begränsad tid, och DET är precis vad som skulle ha hänt i universums tidiga skede enl inflationsteorin. Skalärfältet kallas i det fallet för inflatonfältet. Mörk energi skulle kunna vara av samma slag men väldigt mycket svagare. I detta fall kallas skalärfältet för kvintessens.
Men kanske ändå att mörk energi är just vakuumenergi? Enl bl a strängfysik finns det många olika s k vakuumtillstånd med olika vakuumenergi, enl en uppskattning så många som 10⁵⁰⁰ stycken! Att det finns flera olika energitillstånd är helt normalt i all kvantfysik. Enl t ex Susskind skulle det då kunna vara så att dessa är mer eller mindre jämnt utspridda upp t o m ca 1 Planckenergi per Planckvolym, och isf borde ca 10⁴⁰⁰ av dessa vara tillräckligt små för att t ex galaxer skulle kunna bildas trots universums accelererande expansion. Enl teorin evig inflation, som verkar vara det typiska fallet för inflationsteorier, blir det också hela tiden allt fler parallella universa, som var och en skulle kunna ha olika vakuumenergier. Så vi befinner oss helt enkelt i ett universum som expanderar så lagom fort att vi KAN existera här. Inte konstigare än att vi finns på just en sådan planet som vi kan existera på, och inte på t ex Jupiter. Ett problem är dock att den här sortens teori där precis allting kan hända ju egentligen inte är falsifierbar, och därmed kanske inte heller vetenskaplig.
Först på banan var den kosmologiska konstanten Λ, som uppfanns teoretiskt av Einstein för ca hundra år sen, för att kunna få lösningar till sin allmänna relativitetsteori där universum var stationärt och varken expanderade eller krympte. En sådan konstant är väldigt naturlig i teorin, och en liten sådan skulle inte ha någon påverkan alls på så små skalor som inom galaxer. Men på större skalor skulle den ge en sorts repulsiv kraft mellan galaxerna, vilket precis skulle kunna motverka gravitationen från vanlig materia och därmed ge ett statiskt universum -- som alla då trodde att universum var. Men ganska snart visade nya analyser att sådana lösningar är ungefär lika instabila som en spik som balanserar på sin spets. Även en extremt liten störning skulle få ett sådant universum att aningen börja kollapsa eller att börja med en accelererad expansion! När sedan nya mätningar visade att universum faktiskt expanderar fanns det ingen poäng i att behålla konstanten, så Einstein kallade den för sin största blunder och alla försökte att bara glömma den.
Nästa ut på banan var vakuumenergi, som uppkommer naturligt i elementarpartiklarnas fysik när den beskrivs med kvantfältteori. Eftersom vakuum måste se likadant ut för alla observatörer, oavsett hur snabbt de rör sig genom det, så måste denna energi uppföra sig precis som Einsteins kosmologiska konstant! (Som naturligtvis också är oberoende av hur snabbt en observatör rör sig.) I själva verket fick man sjukt mycket vakuumenergi, faktiskt t o m att den verkade kunna bli oändligt stor, vilket man ju förstod måste vara fel. Nu har det dock visat sig att olika sorters partiklar ger olika tecken på sina bidrag, så med lite tur skulle det kunna visa sig att plus och minus precis balanserar ut varandra till noll! Och precis så verkar det också bli i s k supersymmetriska teorier för partikelfysik. Så fram t o m slutet på 90-talet var det just detta som fysikerna hoppades på: den rätta teorin om allting (TOE, Theory Of Everything) var nog supersymmetrisk, kanske t ex en supersymmetrisk strängteori, och därmed var både den kosmologiska konstanten och vakuumenergi lika med noll!
Enter dark energy. På slutet av 90-talet visade mätningar att universums expansion accelererar! Bam! Och alltså finns det ändå något som fungerar som en kosmologisk konstant eller som vakuumenergi. Case closed? Inte så bråttom... För om vakuumenergin inte är noll pga perfekt cancellering mellan plus och minusbidrag, så gav teoretiska beräkningsförsök att den borde vara verkligen skitstor -- typ en Planckenergi per Planckvolym, eller ca 10¹²⁰ gånger större än vad man fick fram från mätningar på universums accelererande expansion! Vilket med rätta har kallats för "the worst theoretical prediction in the history of physics".
Men det finns även andra tänkbara sätt som man kan få något som uppför sig som en kosmologisk konstant. S k skalärfält kan ge ett sådant beteende iaf för en begränsad tid, och DET är precis vad som skulle ha hänt i universums tidiga skede enl inflationsteorin. Skalärfältet kallas i det fallet för inflatonfältet. Mörk energi skulle kunna vara av samma slag men väldigt mycket svagare. I detta fall kallas skalärfältet för kvintessens.
Men kanske ändå att mörk energi är just vakuumenergi? Enl bl a strängfysik finns det många olika s k vakuumtillstånd med olika vakuumenergi, enl en uppskattning så många som 10⁵⁰⁰ stycken! Att det finns flera olika energitillstånd är helt normalt i all kvantfysik. Enl t ex Susskind skulle det då kunna vara så att dessa är mer eller mindre jämnt utspridda upp t o m ca 1 Planckenergi per Planckvolym, och isf borde ca 10⁴⁰⁰ av dessa vara tillräckligt små för att t ex galaxer skulle kunna bildas trots universums accelererande expansion. Enl teorin evig inflation, som verkar vara det typiska fallet för inflationsteorier, blir det också hela tiden allt fler parallella universa, som var och en skulle kunna ha olika vakuumenergier. Så vi befinner oss helt enkelt i ett universum som expanderar så lagom fort att vi KAN existera här. Inte konstigare än att vi finns på just en sådan planet som vi kan existera på, och inte på t ex Jupiter. Ett problem är dock att den här sortens teori där precis allting kan hända ju egentligen inte är falsifierbar, och därmed kanske inte heller vetenskaplig.