Naujas požiūris į tamsiosios energijos paslapties sprendimą


tamsioji energija

Kreditas: CC0 viešasis domenas

Kas slypi už tamsiosios energijos ir kas ją sieja su Alberto Einšteino įvesta kosmologine konstanta? Du fizikai iš Liuksemburgo universiteto nurodo kelią, kaip atsakyti į šiuos atvirus fizikos klausimus.

Visata turi daugybę keistų savybių, kurias sunku suprasti su kasdiene patirtimi. Pavyzdžiui, mums žinoma medžiaga, susidedanti iš atomų, molekulių ir kitų dalelių, matyt, sudaro tik nedidelę visatos energijos tankio dalį. Didžiausią indėlį, daugiau nei du trečdalius, sudaro “tamsioji energija“—hipotetinė energijos forma, dėl kurios fizikai vis dar glumina.

Be to, visata ne tik nuolat plečiasi, bet ir daro tai vis spartesniu tempu. Atrodo, kad abi savybės yra susijusios, nes tamsioji energija taip pat laikoma pagreitinto plėtimosi varikliu. Be to, tai galėtų suvienyti dvi galingas fizines minties mokyklas: kvantinio lauko teorija ir bendroji reliatyvumo teorija sukūrė Albertas Einšteinas. Tačiau yra vienas dalykas: skaičiavimai ir stebėjimai iki šiol toli gražu nesutampa. Dabar du mokslininkai iš Liuksemburgo parodė būdą, kaip įminti šią 100 metų senumo mįslę savo straipsnyje, kurį paskelbė Fizinės apžvalgos laiškai.

Virtualių dalelių takas vakuume

„Tamsioji energija kyla iš kvantinio lauko teorijos formulių“, – aiškina Liuksemburgo universiteto Fizikos ir medžiagų mokslų katedros teorinės kietojo kūno fizikos profesorius, profesorius Aleksandras Tkatčenko. Ši teorija buvo sukurta siekiant sujungti Kvantinė mechanika ir bendrasis reliatyvumas, kurie nesuderinami pagrindiniais aspektais.

Esminis jo bruožas: priešingai nei kvantinė mechanika, teorija kvantiniais objektais laiko ne tik daleles, bet ir laukus be medžiagos. „Šioje sistemoje daugelis tyrinėtojų tamsiąją energiją laiko vadinamosios vakuuminės energijos išraiška“, – sako Tkatčenko: fizinis dydis, kurį ryškiame vaizde sukelia nuolatinis dalelių porų ir jų antidalelių atsiradimas. kaip elektronai ir pozitronai – kas iš tikrųjų yra tuščia erdvė.

Fizikai apie šį virtualių dalelių ir jų kvantinių laukų atėjimą ir išėjimą kalba kaip apie vakuuminius arba nulinio taško svyravimus. Nors dalelių poros akimirksniu vėl išnyksta į nebūtį, jos palieka tam tikrą energijos kiekį. „Ši vakuuminė energija taip pat turi prasmę bendrasis reliatyvumas“, – pažymi Liuksemburgo mokslininkas. – Tai pasireiškia kosmologine konstanta Einšteinas, įtraukta į jo lygtis dėl matematinių priežasčių.”

Kolosalus neatitikimas

Skirtingai nuo tamsiosios energijos, kurią galima išvesti tik iš kvantinio lauko teorijos formulių, kosmologinę konstantą galima nustatyti tiesiogiai astrofiziniais eksperimentais. Matavimai su Hablo kosminiu teleskopu ir Planck kosmine misija davė artimas ir patikimas pagrindinio fizinio dydžio vertes.

Kita vertus, tamsiosios energijos skaičiavimai remiantis kvantinio lauko teorija duoda rezultatus, atitinkančius kosmologinės konstantos reikšmę, kuri yra iki 10120 kartų didesnis – kolosalus neatitikimas – nors šiandien vyraujančioje fizikų pasaulėžiūroje abi vertybės turėtų būti lygios. Vietoje to rastas neatitikimas yra žinomas kaip „kosmologinė konstanta mįslė“. „Tai neabejotinai vienas didžiausių šiuolaikinio mokslo neatitikimų“, – sako Aleksandras Tkatčenko.

Netradicinis interpretacijos būdas

Kartu su savo kolega iš Liuksemburgo mokslininkų daktaru Dimitrijumi Fedorovu jis dabar reikšmingu žingsniu priartino šio dešimtmečius atviro galvosūkio sprendimą. Teoriniame darbe, kurio rezultatus jie neseniai paskelbė, du Liuksemburgo mokslininkai siūlo naują tamsiosios energijos interpretaciją. Daroma prielaida, kad nulinio taško svyravimai lemia vakuumo poliarizaciją, kurią galima ir išmatuoti, ir apskaičiuoti.

„Virtualiose dalelių porose su an elektros krūvisjis atsiranda dėl elektrodinaminių jėgų, kurias šios dalelės veikia viena kitą per savo itin trumpą egzistavimą”, – aiškina Tkatčenko. Fizikai tai vadina savisąveika, o tokių dalelių poliarizuojamumas yra reakcijos į jį ypatybė. iki energijos tankio, kurį galima nustatyti naujo modelio pagalba“, – sako Liuksemburgo mokslininkas.

Kartu su kolega mokslininku Fedorovu jis sukūrė šį modelį ir pirmą kartą pristatė 2018 m., iš pradžių naudotą atominėms savybėms apibūdinti, pavyzdžiui, kietose medžiagose. Kadangi geometrines charakteristikas gana lengva išmatuoti eksperimentiškai, poliarizaciją taip pat galima nustatyti naudojant šiuos nukreipimus.

„Šią procedūrą perkėlėme į vakuume vykstančius procesus“, – aiškina Fedorovas. Norėdami tai padaryti, du mokslininkai pažvelgė į elektronų ir pozitronų elgesį, kuriuos jie traktavo kaip laukus pagal kvantinio lauko teorijos principus. Šių laukų svyravimus taip pat galima apibūdinti pusiausvyros geometrija, kurios reikšmė jau žinoma iš eksperimentų.

“Mes įtraukėme jį į savo modelio formules ir tokiu būdu galiausiai gavome vakuumo poliarizacijos stiprumą”, – praneša Fedorovas. Paskutinis žingsnis buvo kvantmechaniškai apskaičiuoti elektronų ir pozitronų savitarpio sąveikos energijos tankį. Tokiu būdu gautas rezultatas gerai sutampa su išmatuotomis kosmologinės konstantos reikšmėmis: Tai reiškia: „Tamsiąją energiją galima atsekti iki kvantinių laukų savitarpio energijos tankio“, – pabrėžia Aleksandras Tkatčenko.

Nuoseklios vertės ir patikrinamos prognozės

„Todėl mūsų darbas siūlo elegantišką ir netradicinį požiūrį į kosmologinės konstantos mįslę“, – reziumuoja fizikas. “Be to, jis pateikia patikrinamą prognozę: būtent, kad kvantiniai laukai, tokie kaip elektronai ir pozitronai, iš tikrųjų turi nedidelę, bet nuolatinę poliarizaciją.”

Ši išvada rodo kelią būsimiems eksperimentams aptikti šią poliarizaciją ir laboratorijoje, sako du Liuksemburgo mokslininkai, kurie dabar nori pritaikyti savo modelį kitoms dalelių ir dalelių poroms. „Mūsų konceptuali idėja turėtų būti taikoma bet kurioje srityje“, – pabrėžia Aleksandras Tkatčenko. Jis mano, kad nauji rezultatai, gauti kartu su Dimitrijumi Fedorovu, yra pirmasis žingsnis siekiant geresnio tamsiosios energijos ir jos sąsajos su Alberto Einšteino supratimo. kosmologinė konstanta.

Tkatčenka įsitikinęs: „Galų gale tai taip pat parodys, kaip kvantinio lauko teorija ir bendroji reaktyvumo teorija yra susipynusios kaip du būdai pažvelgti į visatą ir jos komponentus“.

Daugiau informacijos:
Alexandre Tkatchenko ir kt., Kazimiero kvantinių elektrodinaminių laukų savitarpio energijos tankis, Fizinės apžvalgos laiškai (2023). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.041601

Citata: naujas požiūris į tamsiosios energijos paslapties sprendimą (2023 m., sausio 24 d.), gautas 2023 m. sausio 25 d. iš https://phys.org/news/2023-01-approach-mystery-dark-energy.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.