Fiziki so predlagali novo razlago temne energije. To lahko odpre vpogled v medsebojni odnos med kvantno teorijo polja in splošno teorijo relativnosti kot dvema perspektivama na vesolje in njegove elemente.

Kaj se skriva za temno energijo – in kaj jo povezuje s kozmološko konstanto, ki jo je predstavil Albert Einstein? Dva fizika z univerze v Luksemburgu pokažeta, kako odgovoriti na ta odprta vprašanja v fiziki.

Vesolje ima veliko čudnih lastnosti, ki jih je težko razumeti iz vsakdanjih izkušenj. Na primer, snov, ki jo poznamo in je sestavljena iz osnovnih in mešanih delcev, ki sestavljajo molekule in materiale, očitno predstavlja le majhen delček energije vesolja. Največji prispevek, približno dve tretjini, prihaja iz “temna energija”- hipotetična oblika energije, katere ozadje fizikov še vedno zmede. Poleg tega se vesolje ne samo hitro širi, ampak to počne z vedno večjo hitrostjo.

Zdi se, da sta lastnosti povezani, saj temna energija Velja tudi za gonilo pospešene širitve. Poleg tega bi lahko ponovno združil dve močni fizični šoli mišljenja: kvantno teorijo polja in splošno teorijo relativnosti, ki ju je razvil Albert Einstein. Vendar obstaja ulov: izračuni in opažanja se še zdaleč ne ujemajo. Dva raziskovalca iz Luksemburga sta v članku, objavljenem v reviji Nature, pokazala nov način za rešitev te 100 let stare uganke. fizični pregledni papir,

sled virtualnih delcev v vakuumu

“V vakuumu je energija. To je temeljni rezultat kvantne teorije polja,” pojasnjuje Alexandre Tkachenko, profesor teoretične fizike na oddelku za fiziko in znanost o materialih. luksemburška univerza, Ta teorija je bila razvita, da bi združila kvantno mehaniko in posebno teorijo relativnosti, vendar se zdi, da kvantna teorija polja ni združljiva s splošno teorijo relativnosti. Njena bistvena značilnost: za razliko od kvantne mehanike teorija ne obravnava le delcev, temveč tudi polja brez snovi kot kvantne objekte.

“V tem okviru mnogi raziskovalci temno energijo obravnavajo kot manifestacijo tako imenovane vakuumske energije,” pravi Tkachenko: fizikalne količine, ki jo v živi podobi povzroča neprekinjeno pojavljanje in interakcija parov delcev in njihovih antidelcev. je. – kot so elektroni in pozitroni – kaj v resnici je prazen prostor.

Kozmično mikrovalovno ozadje, kot ga je videl Planck. Zasluge: ESA in Planck Collaboration

Fiziki o tem prihajanju in odhajanju virtualnih delcev in njihovih kvantnih polj govorijo kot o vakuumu ali fluktuacijah ničelne točke. Medtem ko pari delcev hitro izginejo v praznino, njihov obstoj pusti za seboj določeno količino energije.

“Ta energija vakuuma ima pomen tudi v splošni teoriji relativnosti,” je dejal luksemburški znanstvenik, “pojavlja se v kozmološki konstanti, ki jo je Einstein vključil v svoje enačbe iz fizikalnih razlogov.”

velika neskladnost

Za razliko od vakuumske energije, ki jo lahko izpeljemo samo iz formul kvantne teorije polja, lahko kozmološko konstanto določimo neposredno z astrofizikalnimi poskusi. Meritve vesoljskega teleskopa Hubble in vesoljske misije Planck so dale blizu in zanesljive vrednosti za osnovne fizikalne količine. Izračuni temne energije, ki temeljijo na kvantni teoriji polja, po drugi strani dajejo rezultate, ki so skladni z vrednostmi kozmološke konstante, ki segajo do 10.¹²⁰ krat večja – ogromno odstopanje, čeprav bi morali biti v svetovnem pogledu fizikov, ki prevladuje danes, obe vrednosti enaki. Namesto tega najdena anomalija je znana kot “uganka kozmološke konstante”.

“To je nedvomno ena največjih anomalij sodobne znanosti,” pravi Alexandre Tkachenko.

neortodoksno razlago

Skupaj s svojim luksemburškim raziskovalnim kolegom dr. Dmitrijem Fedorovom je zdaj pomemben korak bližje rešitvi te uganke, ki je ostala odprta že desetletja. V teoretičnem delu, katerega rezultate so nedavno objavili fizični pregledni papirDva raziskovalca iz Luksemburga sta predlagala novo razlago temne energije. Predpostavlja, da nihanja ničelne točke vodijo do polarizacije vakuuma, ki jo je mogoče izmeriti in izračunati.

“V parih virtualnih delcev z nasprotnim električnim nabojem to izhaja iz elektrodinamičnih sil, ki jih ti delci izvajajo drug na drugega v svojem izjemno kratkem obstoju,” pojasnjuje Tkachenko. Fiziki temu vakuumu pravijo samokorelacija. “To vodi do gostote energije, ki jo je mogoče določiti s pomočjo novega modela,” pravi luksemburški znanstvenik.

Skupaj z raziskovalnim kolegom Fedorovom je pred nekaj leti razvil osnovni model za atome in ga leta 2018 prvič predstavil. Model je bil prvotno uporabljen za opis atomskih lastnosti, zlasti razmerja med polarizabilnostjo atomov in ravnotežnimi lastnostmi nekaterih nekovalentno vezanih molekul in trdnih snovi. Ker je geometrijske značilnosti precej enostavno eksperimentalno izmeriti, je mogoče polarizabilnosti določiti tudi z njihovo formulo.

»Ta proces smo prenesli na procese v vakuumu,« pojasnjuje Fedorov. Za to sta oba raziskovalca preučevala obnašanje kvantnih polj, zlasti tistih, ki predstavljajo “prihajanje in odhajanje” elektronov in pozitronov. Nihanja teh polj lahko označimo tudi z ravnotežno geometrijo, ki je že znana iz eksperimentov. “To smo vstavili v formule našega modela in tako končno dobili moč intrinzične vakuumske polarizacije,” poroča Fedorov.

Zadnji korak je bil nato kvantno mehanski izračun energijske gostote samointerakcije med fluktuacijami elektronov in pozitronov. Tako dobljeni rezultat se dobro ujema z izmerjenimi vrednostmi kozmološke konstante. To pomeni: “temno energijo je mogoče izslediti do gostote energije kvantnih polj, ki delujejo sami,” je poudaril Alexander Tkachenko.

Dosledne vrednosti in preverljive napovedi

“Naše delo tako zagotavlja eleganten in nekonvencionalen pristop k reševanju uganke kozmološke konstante,” je dejal fizik. “Poleg tega zagotavlja preverljivo napoved: namreč, da imajo kvantna polja, kot so elektroni in pozitroni, res majhno, a vedno prisotno intrinzično polarizacijo.”

Luksemburška raziskovalca pravita, da odkritje kaže pot do prihodnjih poskusov za odkrivanje te polarizacije v laboratoriju. “Naš cilj je izpeljati kozmološko konstanto iz stroge kvantnoteoretične perspektive,” poudarja Dmitry Fedorov. “In v našem delu je recept, kako to uresničiti.”

Nove rezultate, pridobljene skupaj z Aleksandrom Tkačenkom, vidi kot prvi korak k boljšemu razumevanju temne energije – in njene povezave s kozmološko konstanto Alberta Einsteina.

Nazadnje je Tkatchenko prepričan: “Končno lahko osvetli tudi način, kako se kvantna teorija polja in splošna teorija relativnosti prepletata kot dva načina gledanja na vesolje in njegove komponente.”

Referenca: Alexandre Tkachenko in Dmitry V. “Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields” avtor Fedorov, 24. januar 2023, fizični pregledni papir,
DOI: 10.1103/fitzrevelet.130.041601