A fizikusok új módot fedeznek fel a sötét energia furcsa rejtélyének megoldására

Mi van a sötét energia mögött – és mi köti össze az Albert Einstein által bevezetett kozmológiai állandóval? A Luxemburgi Egyetem két fizikusa rámutat arra, hogyan lehet megválaszolni ezeket a nyitott kérdéseket a fizikában.

Az univerzumnak számos furcsa tulajdonsága van, amelyeket a mindennapi tapasztalatok révén nehéz megérteni. Például az általunk ismert anyag, amely molekulákból és anyagból álló elemi és összetett részecskékből áll, láthatóan csak egy kis részét teszi ki az univerzum energiájának. A legnagyobb hozzájárulás, mintegy kétharmada innen származiksötét energia– egy hipotetikus energiaforma, amely a háttérfizikusok előtt még mindig értetlenül áll, ráadásul az univerzum nemcsak folyamatosan tágul, hanem egyre gyorsabb ütemben is.

Úgy tűnik, hogy mindkét tulajdonság összefügg, mert sötét energia A felgyorsult terjeszkedés motorjának is tartják. Sőt, egyesíthet két erőteljes fizikai irányzatot: a kvantumtérelméletet és az Albert Einstein által kidolgozott általános relativitáselméletet. De van egy bökkenő: a beszámolók és a feljegyzések korántsem azonosak. Két luxemburgi kutató új módszert mutat be ennek a 100 éves rejtélynek a megoldására a folyóirat által közzétett kutatási cikkben. Fizikai áttekintő levelek.

A virtuális részecskék hatása vákuumban

„A vákuumnak energiája van. Ez a kvantumtérelmélet alapvető eredménye” – magyarázza Alekszandr Tkacsenko professzor, az elméleti fizika professzora a Fizikai és Anyagtudományi Tanszéken. Luxemburgi Egyetem. Ezt az elméletet a kvantummechanika és a speciális relativitáselmélet ötvözésére fejlesztették ki, de úgy tűnik, hogy a kvantumtérelmélet összeegyeztethetetlen az általános relativitáselmélettel. Legfőbb előnye: a kvantummechanikával ellentétben az elmélet nem csak a részecskéket, hanem az anyagtól mentes gömböket is kvantumobjektumnak tekinti.

„Ebben a keretben sok kutató úgy véli, hogy a sötét energia az úgynevezett vákuumenergia kifejezése” – mondja Tkatchenko, egy fizikai mennyiség, amely élő formában részecskepárok és antirészecskék megjelenéséből és folyamatos kölcsönhatásából adódik. mint elektronok és pozitronok – a valóságban Üres térben.

Planck kozmikus mikrohullámú háttér. Köszönet: ESA és Planck Collaboration

A fizikusok a virtuális részecskék és kvantumtereik jövés-menéséről vákuumbeli fluktuációként vagy nullapontként beszélnek. Ahogy a részecskepárok gyorsan visszahalnak a semmibe, jelenlétük bizonyos mennyiségű energiát hagy maga után.

A luxemburgi tudós megjegyzi, hogy „ennek a vákuumenergiának az általános relativitáselméletben is van jelentése”: „A kozmológiai állandóban nyilvánul meg, amelyet Einstein fizikai okokból belefoglalt egyenleteibe.”

Óriási eltérés

Ellentétben a vákuum energiájával, amely csak a kvantumtérelmélet egyenleteiből vezethető le, a kozmológiai állandó asztrofizikai kísérletekkel közvetlenül meghatározható. A Hubble Űrteleszkóppal és a Planck űrmisszióval végzett mérések közeli és megbízható értékeket adtak az alapvető fizikai mennyiségre vonatkozóan. Másrészt a kvantumtér elméleten alapuló sötétenergia-számítások olyan eredményekhez vezetnek, amelyek összhangban vannak a 10-es kozmológiai állandó értékével.¹²⁰ -szer nagyobb – kolosszális eltérés, bár a fizikusok mai nézete szerint mindkét értéknek egyenlőnek kell lennie. A létező ellentmondást ehelyett „a kozmológiai állandó rejtélyének” nevezik.

„Kétségtelenül ez az egyik legnagyobb ellentmondás a modern tudományban” – mondja Alekszandr Tkacsenko.

Nem szokványos értelmezési mód

Dr. Dmitrij Fedorov luxemburgi kutatótársával együtt most egy fontos lépéssel közelebb hozta ennek a rejtélynek a megoldását, amely évtizedek óta nyitott. Egy elméleti munkában nemrég publikálták eredményeiket ben Fizikai áttekintő levelekA két luxemburgi kutató új magyarázatot javasolt a sötét energiára. Feltételezzük, hogy a nullpont ingadozások vákuumpolarizációt eredményeznek, ami mérhető és kiszámítható.

„Az ellentétes elektromos töltésű virtuális részecskék párjai azokból az elektrodinamikai erőkből származnak, amelyeket ezek a részecskék egymásra gyakorolnak nagyon rövid létezésük során” – magyarázza Tkachenko. A fizikusok ezt önkölcsönhatású vákuumnak nevezik. „Ez olyan energiasűrűséghez vezet, amelyet egy új modell segítségével meg lehet határozni” – mondja Luxemburg tudós.

Fedorov kutató kollégával néhány éve kidolgozták az atomok alapmodelljét, amelyet először 2018-ban mutattak be. A modellt eredetileg az atomi tulajdonságok leírására használták, különös tekintettel az atomok polarizációja és az egyensúlyi tulajdonságok közötti kapcsolatra. egyes nem kovalens kötésű molekulák és szilárd anyagok. Mivel a geometriai tulajdonságokat nagyon könnyű kísérletileg mérni, a polarizáció a képletükkel is meghatározható.

„Ezt az eljárást vákuumban végzett műveletekre helyeztük át” – magyarázza Fedorov. Ennek érdekében a két kutató a kvantumdomének viselkedését vizsgálta, különös tekintettel az elektronok és pozitronok „jövetelének és menésének” ábrázolására. Ezeknek a mezőknek a fluktuációja a kísérletekből már ismert egyensúlyi geometriával is jellemezhető. „Beillesztettük a modellünk képleteibe, és így végül megkaptuk a belső űr polarizációs erejét” – mondja Fedorov.

Az utolsó lépés ezután az elektronok és pozitronok fluktuációi közötti önkölcsönhatás energiasűrűségének mechanikus kiszámítása volt. Az így kapott eredmény jól egyezik a kozmológiai állandó mért értékeivel. Ez azt jelenti: „A sötét energia a kvantummezők önkölcsönhatásának energiasűrűségére vezethető vissza” – állítja Alekszandr Tkacsenko.

Következetes értékek és ellenőrizhető elvárások

„Munkánk így elegáns és szokatlan megközelítést kínál a kozmológiai állandó rejtélyének megoldásához” – összegzi a fizikus. „Sőt, ellenőrizhető előrejelzést ad: nevezetesen, hogy az olyan kvantumterek, mint az elektronok és pozitronok, valóban rendelkeznek egy kicsi, de állandóan jelenlévő belső polarizációval.”

A két luxemburgi kutató szerint ez a megállapítás utat mutat a jövőbeli kísérletek számára, amelyek ezt a polarizációt laboratóriumban is kimutathatják. „Célunk az, hogy a kozmológiai állandót szigorú kvantumelméleti megközelítésből származtatjuk” – állítja Dmitrij Fedorov. „Munkánk pedig tartalmaz egy receptet, hogyan valósítsuk meg ezt.”

Az Alekszandr Tkacsenkóval elért új eredményeket az első lépésnek tekinti a sötét energia – és Albert Einstein kozmológiai állandójával való kapcsolatának – jobb megértése felé.

Végül Tkatcsenko meg van győződve: „Végső soron ez arra is rávilágíthat, hogyan fonódik össze a kvantumtér-elmélet és az általános relativitáselmélet, mint az univerzum és összetevőinek két szemszögéből.”

Hivatkozás: Alekszandr Tkacsenko és Dmitrij V. „Kázmér önkölcsönhatási energiasűrűsége kvantumelektrodinamikai mezőben”. Fedorov, 2023. január 24. Elérhető itt. Fizikai áttekintő levelek.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601