Fizycy odkrywają nowy sposób rozwiązania dziwnej tajemnicy ciemnej energii

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 opracowali kilka lat temu fundamentalny model atomów i po raz pierwszy zaprezentowali go w 2018 r. Pierwotnie model był używany do opisywania właściwości atomów, w szczególności związku między polaryzacją 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: 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 elementy”.

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