Физичари откривају нови начин да реше чудну мистерију тамне енергије

Шта се крије иза тамне енергије – и шта је повезује са космолошком константом коју је увео Алберт Ајнштајн? Два физичара са Универзитета у Луксембургу указују на начин да одговоре на ова отворена питања у физици.

Универзум има низ чудних својстава која је тешко разумети кроз свакодневно искуство. На пример, материја коју познајемо, а која се састоји од елементарних и композитних честица сачињених од молекула и материје, очигледно чини само мали део енергије универзума. Највећи допринос, око две трећине, потиче одтамна енергија– хипотетички облик енергије чији су основни физичари још увек збуњени. Штавише, универзум се не само стално шири, већ то чини и све бржим темпом.

Чини се да су оба својства повезана, јер тамна енергија Такође се сматра покретачем убрзаног ширења. Штавише, може да уједини две моћне физичке школе мишљења: квантну теорију поља и општу теорију релативности коју је развио Алберт Ајнштајн. Али постоји квака: рачуни и белешке су далеко од идентичних. Два луксембуршка истраживача показују нови начин решавања ове 100-годишње мистерије у истраживачком раду који је објавио часопис Писма о физичком прегледу.

Ефекат виртуелних честица у вакууму

„Вакум има енергију. Ово је фундаментални резултат квантне теорије поља“, објашњава професор Александар Ткаченко, професор теоријске физике на Одсеку за физику и науке о материјалима на Универзитет у Луксембургу. Ова теорија је развијена да комбинује квантну механику и специјалну релативност, али се чини да је квантна теорија поља некомпатибилна са општом релативношћу. Његова главна предност: за разлику од квантне механике, теорија квантним објектима сматра не само честице већ и сфере лишене материје.

„Унутар овог оквира, многи истраживачи сматрају да је тамна енергија израз онога што се зове енергија вакуума“, каже Ткаченко, физичка величина која у живом облику резултира појавом и континуираном интеракцијом парова честица и њихових античестица – нпр. као електрони и позитрони — у ономе што је у стварности Празан простор.

Планкова космичка микроталасна позадина. Заслуге: ЕСА и Планцк Цоллаборатион

Физичари говоре о доласцима и одласцима виртуелних честица и њихових квантних поља као о флуктуацијама у вакууму, или нултој тачки. Како парови честица брзо бледе назад у ништавило, њихово присуство оставља за собом одређену количину енергије.

Луксембуршки научник примећује да „ова енергија вакуума има значење и у општој релативности”: „Она се манифестује у космолошкој константи коју је Ајнштајн из физичких разлога укључио у своје једначине.

Масивно неслагање

За разлику од енергије вакуума, која се може извести само из једначина квантне теорије поља, космолошка константа се може одредити директно астрофизичким експериментима. Мерења са свемирским телескопом Хабл и свемирском мисијом Планк дала су блиске и поуздане вредности за основну физичку величину. С друге стране, прорачуни тамне енергије засновани на квантној теорији поља доводе до резултата који су у складу са вредношћу космолошке константе 10¹²⁰ пута већи – колосални несклад, иако према данашњем мишљењу физичара, обе вредности би требало да буду једнаке. Контрадикција која постоји је уместо тога позната као „енигма космолошке константе“.

„То је без сумње једна од највећих контрадикција у савременој науци“, каже Александар Ткаченко.

Неконвенционалан начин тумачења

Заједно са колегом луксембуршким истраживачем др Дмитријем Федоровим, он је сада донео решење ове мистерије, која је деценијама била отворена, важан корак ближе. У теоретском раду недавно су објавили своје резултате у Писма о физичком прегледуДва истраживача у Луксембургу предложила су ново објашњење тамне енергије. Претпоставља се да флуктуације нулте тачке резултирају поларизацијом вакуума, која се може мерити и израчунати.

„У паровима виртуелних честица супротног електричног наелектрисања, оне настају од електродинамичких сила које те честице врше једна на другу током свог веома кратког времена постојања“, објашњава Ткаченко. Физичари ово називају вакуумом који самостално делује. „То води до густине енергије која се може одредити уз помоћ новог модела“, каже научник Луксембург.

Заједно са истраживачким колегом Федоровим, они су пре неколико година развили основни модел атома и први пут га представили 2018. Модел је првобитно коришћен за описивање атомских својстава, посебно односа између поларизације атома и равнотежних својстава. неких нековалентно везаних молекула и чврстих тела. Пошто је геометријска својства врло лако експериментално измерити, поларизација се такође може одредити њиховом формулом.

„Ову процедуру смо пренели на операције у вакууму“, објашњава Федоров. У том циљу, два истраживача су посматрала понашање квантних домена, посебно представљање „доласка и одласка“ електрона и позитрона. Флуктуације ових поља се такође могу окарактерисати геометријом равнотеже која је већ позната из експеримената. „Убацили смо је у формуле нашег модела и на тај начин смо коначно добили поларизациону силу унутрашње празнине“, каже Федоров.

Последњи корак је тада био да се механички израчуна густина енергије самоинтеракције између флуктуација електрона и позитрона. Овако добијени резултат добро се слаже са измереним вредностима космолошке константе. То значи: „Тамна енергија се може пратити до густине енергије самоинтеракције квантних поља“, тврди Александар Ткаченко.

Доследне вредности и проверљива очекивања

„Наш рад тако нуди елегантан и неконвенционалан приступ решавању мистерије космолошке константе“, закључује физичар. „Штавише, пружа проверљиво предвиђање: наиме, да квантна поља попут оних електрона и позитрона заиста поседују малу, али увек присутну унутрашњу поларизацију.

Ово откриће указује на пут будућим експериментима за откривање ове поларизације иу лабораторији, кажу два истраживача из Луксембурга. „Наш циљ је да изведемо космолошку константу из приступа ригорозне квантне теорије“, тврди Дмитриј Федоров. „А наш рад укључује рецепт како то реализовати.

Он види нове резултате добијене са Александром Ткаченком као први корак ка бољем разумевању тамне енергије – и њеног односа са космолошком константом Алберта Ајнштајна.

Коначно, Ткаченко је уверен: „На крају крајева, ово такође може бацити светло на начин на који се квантна теорија поља и општа теорија релативности преплићу као два начина гледања на универзум и његове компоненте.“

Референца: „Казимирова густина енергије самоинтеракције у квантним електродинамичким пољима“ Александра Ткаченка и Дмитрија В. Федоров, 24. јануар 2023. Доступно овде. Писма о физичком прегледу.
ДОИ: 10.1103/ПхисРевЛетт.130.041601