Fizycy zaproponowali nowe wyjaśnienie ciemnej energii. Może rzucić wgląd w współzależność między kwantową teorią pola a ogólną teorią względności, jako dwiema perspektywami wszechświata i jego elementów.
Co kryje się za ciemną energią – i co łączy ją ze stałą kosmologiczną wprowadzoną przez Alberta Einsteina? Dwóch fizyków z Uniwersytetu w Luksemburgu wskazuje sposób odpowiedzi na te otwarte pytania w fizyce.
Wszechświat ma wiele dziwnych właściwości, które są trudne do zrozumienia poprzez codzienne doświadczenie. Na przykład znana nam materia, która składa się z cząstek elementarnych i złożonych z cząsteczek i materii, najwyraźniej stanowi tylko niewielką część energii wszechświata. Największy wkład, około dwie trzecie, pochodzi zciemna energia– hipotetyczna forma energii, która nadal wprawia w zakłopotanie fizyków tła.Co więcej, wszechświat nie tylko stale się rozszerza, ale robi to w coraz szybszym tempie.
Wydaje się, że obie właściwości są ze sobą powiązane, ponieważ ciemna energia Jest również uważany za czynnik przyspieszający ekspansję. Co więcej, może łączyć dwie potężne szkoły fizyki: kwantową teorię pola i ogólną teorię względności opracowaną przez Alberta Einsteina. Ale jest pewien haczyk: rachunki i notatki są dalekie od identyczności. Dwóch badaczy z Luksemburga pokazuje nowy sposób rozwiązania tej 100-letniej zagadki w artykule naukowym opublikowanym w czasopiśmie Fizyczne listy przeglądowe.
Efekt cząstek wirtualnych w próżni
„Próżnia ma energię. To fundamentalny wynik kwantowej teorii pola” – wyjaśnia prof. Aleksander Tkaczenko, profesor fizyki teoretycznej na Wydziale Fizyki i Nauk o Materiałach Uniwersytetu im. Uniwersytet w Luksemburgu. Teoria ta została opracowana w celu połączenia mechaniki kwantowej i szczególnej teorii względności, ale kwantowa teoria pola wydaje się być niezgodna z ogólną teorią względności. Jej główna zaleta: w przeciwieństwie do mechaniki kwantowej, teoria ta traktuje nie tylko cząstki, ale także sfery pozbawione materii jako obiekty kwantowe.
„W tym kontekście wielu badaczy uważa, że ciemna energia jest wyrazem tak zwanej energii próżni”, mówi Tkatchenko, wielkości fizycznej, która w żywej formie wynika z pojawienia się i ciągłej interakcji par cząstek i ich antycząstek — takich jak jak elektrony i pozytony — w tym, co w rzeczywistości jest Pustą przestrzenią.
Kosmiczne mikrofalowe tło Plancka. Źródło: Współpraca ESA i Planck
Fizycy mówią o pojawianiu się i znikaniu wirtualnych cząstek i ich pól kwantowych jako o fluktuacjach w próżni lub punkcie zerowym. Ponieważ pary cząstek szybko znikają z powrotem w nicość, ich obecność pozostawia pewną ilość energii.
Luksemburski naukowiec zauważa, że „ta energia próżni ma również znaczenie w ogólnej teorii względności”: „Przejawia się w stałej kosmologicznej, którą Einstein uwzględnił w swoich równaniach z powodów fizycznych”.
Ogromne niedopasowanie
W przeciwieństwie do energii próżni, którą można wydedukować jedynie z równań kwantowej teorii pola, stałą kosmologiczną można określić bezpośrednio za pomocą eksperymentów astrofizycznych. Pomiary za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i misji kosmicznej Planck dały bliskie i wiarygodne wartości podstawowej wielkości fizycznej. Z drugiej strony obliczenia ciemnej energii oparte na kwantowej teorii pola prowadzą do wyników zgodnych z wartością stałej kosmologicznej wynoszącej 10120 razy większa – kolosalna rozbieżność, choć wedle dominującego dziś poglądu fizyków obie wartości powinny być sobie równe. Zamiast tego istniejąca sprzeczność jest znana jako „zagadka stałej kosmologicznej”.
„To bez wątpienia jedna z największych sprzeczności we współczesnej nauce” — mówi Aleksander Tkaczenko.
Niekonwencjonalny sposób interpretacji
Wraz z kolegą z luksemburskiego naukowca, dr Dmitrijem Fiodorowem, zbliżył się teraz do rozwiązania tej tajemnicy, która od dziesięcioleci nie miała końca, co stanowi ważny krok. W pracy teoretycznej niedawno opublikowali swoje wyniki w Fizyczne listy przeglądoweDwaj badacze z Luksemburga zaproponowali nowe wyjaśnienie ciemnej energii. Zakłada się, że fluktuacje punktu zerowego powodują polaryzację próżni, którą można zmierzyć i obliczyć.
„W parach wirtualnych cząstek o przeciwnych ładunkach elektrycznych powstają one w wyniku sił elektrodynamicznych, jakie te cząstki wywierają na siebie nawzajem podczas bardzo krótkiego czasu istnienia” – wyjaśnia Tkachenko. Fizycy nazywają to samooddziałującą próżnią. „Prowadzi to do gęstości energii, którą można określić za pomocą nowego modelu” – mówi naukowiec z Luksemburga.
Wraz z kolegą naukowcem Fiodorowem kilka lat temu opracowali fundamentalny model atomów i po raz pierwszy zaprezentowali go w 2018 r. Pierwotnie model był używany do opisu właściwości atomów, w szczególności związku między polaryzacjami atomów a właściwościami równowagi niektórych niekowalencyjnie związanych cząsteczek i ciał stałych. Ponieważ bardzo łatwo jest zmierzyć właściwości geometryczne eksperymentalnie, polaryzację można również określić na podstawie ich wzoru.
„Przenieśliśmy tę procedurę do operacji w próżni”, wyjaśnia Fiodorow. W tym celu obaj badacze przyjrzeli się zachowaniu domen kwantowych, w szczególności reprezentacji „przychodzenia i odchodzenia” elektronów i pozytonów. Fluktuacje tych pól można również scharakteryzować za pomocą znanej już z eksperymentów geometrii równowagi. „Umieściliśmy to we wzorach naszego modelu iw ten sposób ostatecznie uzyskaliśmy siłę polaryzacji wewnętrznej pustki” – mówi Fiodorow.
Ostatnim krokiem było więc mechaniczne obliczenie gęstości energii samooddziaływania między fluktuacjami elektronów i pozytonów. Otrzymany w ten sposób wynik dobrze zgadza się ze zmierzonymi wartościami stałej kosmologicznej. Oznacza to: „Ciemną energię można prześledzić wstecz do gęstości energii samooddziaływania pól kwantowych”, twierdzi Alexander Tkachenko.
Spójne wartości i weryfikowalne oczekiwania
„Nasza praca oferuje zatem eleganckie i niekonwencjonalne podejście do rozwiązania tajemnicy stałej kosmologicznej” – podsumowuje fizyk. „Ponadto zapewnia weryfikowalną prognozę: a mianowicie, że pola kwantowe, takie jak elektrony i pozytony, rzeczywiście mają małą, ale zawsze obecną wewnętrzną polaryzację”.
To odkrycie wskazuje drogę do przyszłych eksperymentów w celu wykrycia tej polaryzacji również w laboratorium, mówią dwaj naukowcy z Luksemburga. „Naszym celem jest wyprowadzenie stałej kosmologicznej z rygorystycznego podejścia teorii kwantowej” – zapewnia Dmitrij Fiodorow. „A nasza praca zawiera przepis, jak to zrealizować”.
Nowe wyniki uzyskane wraz z Aleksandrem Tkaczenko postrzega jako pierwszy krok w kierunku lepszego zrozumienia ciemnej energii – i jej związku ze stałą kosmologiczną Alberta Einsteina.
Wreszcie Tkatchenko jest przekonany: „Ostatecznie może to również rzucić światło na sposób, w jaki kwantowa teoria pola i ogólna teoria względności przeplatają się jako dwa sposoby patrzenia na wszechświat i jego składniki”.
Odniesienie: „Gęstość energii samooddziaływania Casimira w kwantowych polach elektrodynamicznych” Aleksandra Tkaczenko i Dmitrija V. Fiodorow, 24 stycznia 2023 r. Dostępne tutaj. Fizyczne listy przeglądowe.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601