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

Visata turi daugybę keistų savybių, kurias sunku suprasti per kasdienę patirtį. Pavyzdžiui, mums žinoma medžiaga, sudaryta iš elementariųjų ir sudėtinių dalelių, sudarytų iš molekulių ir materijos, matyt, sudaro tik nedidelę visatos energijos dalį. Didžiausią indėlį, maždaug du trečdalius, sudarotamsioji energija– hipotetinė energijos forma, kurios fizikus vis dar glumina, be to, visata ne tik nuolat plečiasi, bet ir daro tai vis sparčiau.

Atrodo, kad abi savybės yra susijusios, nes tamsioji energija Jis taip pat laikomas pagreitintos plėtros varikliu. Be to, jis gali suvienyti dvi galingas fizikos mąstymo mokyklas: kvantinio lauko teoriją ir Alberto Einšteino sukurtą bendrąją reliatyvumo teoriją. Tačiau yra vienas dalykas: sąskaitos ir užrašai toli gražu nėra identiški. Du Liuksemburgo mokslininkai žurnalo paskelbtame moksliniame darbe parodo naują būdą išspręsti šią 100 metų senumo paslaptį Fizinės apžvalgos laiškai.

Virtualių dalelių poveikis vakuume

„Vakuumas turi energijos. Tai esminis kvantinio lauko teorijos rezultatas”, – aiškina profesorius Aleksandras Tkačenka, Fizikos ir medžiagų mokslų katedros teorinės fizikos profesorius. Liuksemburgo universitetas. Ši teorija buvo sukurta siekiant sujungti kvantinę mechaniką ir specialiąją reliatyvumo teoriją, tačiau atrodo, kad kvantinio lauko teorija nesuderinama su bendruoju reliatyvumu. Pagrindinis jos pranašumas: skirtingai nei kvantinė mechanika, teorija kvantiniais objektais laiko ne tik daleles, bet ir sferas, kuriose nėra materijos.

„Šioje sistemoje daugelis tyrinėtojų mano, kad tamsioji energija yra vadinamosios vakuuminės energijos išraiška“, – sako Tkatčenko, fizinis dydis, gyvoje formoje atsirandantis dėl dalelių porų ir jų antidalelių atsiradimo ir nuolatinės sąveikos. kaip elektronai ir pozitronai – toje, kas iš tikrųjų yra Tuščia erdvė.

Plancko kosminis mikrobangų fonas. Kreditas: ESA ir „Planck Collaboration“.

Fizikai kalba apie virtualių dalelių ir jų kvantinių laukų atėjimą ir išėjimą kaip svyravimus vakuume arba nuliniame taške. Kai dalelių poros greitai išnyksta į nebūtį, jų buvimas palieka tam tikrą energijos kiekį.

Liuksemburgo mokslininkas pažymi, kad „ši vakuuminė energija turi reikšmę ir bendrojoje reliatyvumo teorijoje“: „Ji pasireiškia kosmologine konstanta, kurią Einšteinas dėl fizinių priežasčių įtraukė į savo lygtis“.

Didelis neatitikimas

Skirtingai nuo vakuumo energijos, kurią galima išvesti tik iš kvantinio lauko teorijos lygčių, kosmologinę konstantą galima nustatyti tiesiogiai astrofiziniais eksperimentais. Matavimai su Hablo kosminiu teleskopu ir Planko kosmine misija davė artimas ir patikimas pagrindinio fizinio dydžio vertes. Kita vertus, tamsiosios energijos skaičiavimai, pagrįsti kvantinio lauko teorija, leidžia gauti rezultatus, atitinkančius kosmologinės konstantos reikšmę 10¹²⁰ kartų didesnis – didžiulis neatitikimas, nors pagal šiandien vyraujantį fizikų požiūrį abi vertės turėtų būti vienodos. Egzistuojantis prieštaravimas yra žinomas kaip „kosmologinės konstantos mįslė“.

„Tai, be jokios abejonės, vienas didžiausių prieštaravimų šiuolaikiniame moksle“, – sako Aleksandras Tkačenka.

Netradicinis interpretacijos būdas

Kartu su kolega Liuksemburgo tyrėju daktaru Dmitrijumi Fedorovu jis atnešė šios paslapties sprendimą, kuris dešimtmečius buvo atviras, o tai yra svarbus žingsnis arčiau. Teoriniame darbe jie neseniai paskelbė savo rezultatus Fizinės apžvalgos laiškaiDu Liuksemburgo mokslininkai pasiūlė naują tamsiosios energijos paaiškinimą. Manoma, kad nulinio taško svyravimai sukelia vakuuminę poliarizaciją, kurią galima išmatuoti ir apskaičiuoti.

„Priešingo elektros krūvio virtualių dalelių porose jos atsiranda dėl elektrodinaminių jėgų, kurias šios dalelės veikia viena kitai per labai trumpą egzistavimo laiką“, – aiškina Tkačenka. Fizikai tai vadina savaime sąveikaujančiu vakuumu. „Tai lemia energijos tankį, kurį galima nustatyti naudojant naują modelį“, – sako mokslininkas Liuksemburgas.

Kartu su kolega tyrėju Fedorovu jie prieš kelerius metus sukūrė pagrindinį atomų modelį ir pirmą kartą jį pristatė 2018 m. Šis modelis iš pradžių buvo naudojamas apibūdinti atomų savybes, ypač ryšį tarp atomų poliarizacijos ir pusiausvyros savybių. kai kurių nekovalentiškai sujungtų molekulių ir kietųjų medžiagų. Kadangi eksperimentiškai išmatuoti geometrines savybes labai lengva, poliarizaciją galima nustatyti ir pagal jų formulę.

„Mes perkėlėme šią procedūrą į operacijas vakuume“, – aiškina Fiodorovas. Šiuo tikslu du mokslininkai ištyrė kvantinių domenų elgesį, ypač elektronų ir pozitronų „atėjimo ir išėjimo“ vaizdavimą. Šių laukų svyravimus taip pat galima apibūdinti jau iš eksperimentų žinoma pusiausvyros geometrija. „Mes įdėjome jį į savo modelio formules ir tokiu būdu galiausiai gavome vidinės tuštumos poliarizacijos jėgą“, – sako Fedorovas.

Tada paskutinis žingsnis buvo mechaniškai apskaičiuoti elektronų ir pozitronų svyravimų savaiminės sąveikos energijos tankį. Tokiu būdu gautas rezultatas gerai sutampa su išmatuotomis kosmologinės konstantos reikšmėmis. Tai reiškia: „Tamsiąją energiją galima atsekti iki kvantinių laukų savitarpio sąveikos energijos tankio“, – tvirtina Aleksandras Tkačenka.

Nuoseklios vertybės ir patikrinami lūkesčiai

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

Ši išvada rodo kelią būsimiems eksperimentams aptikti šią poliarizaciją ir laboratorijoje, teigia du Liuksemburge dirbantys mokslininkai. „Mūsų tikslas yra išvesti kosmologinę konstantą taikant griežtą kvantinės teorijos metodą“, – tvirtina Dmitrijus Fiodorovas. „Ir mūsų darbe yra receptas, kaip tai suvokti.

Jis mano, kad nauji rezultatai, gauti su Aleksandru Tkačenka, yra pirmasis žingsnis siekiant geresnio tamsiosios energijos supratimo ir jos santykio su Alberto Einšteino kosmologine konstanta.

Galiausiai Tkatčenka įsitikinęs: „Galiausiai tai taip pat gali atskleisti, kaip kvantinio lauko teorija ir bendroji reliatyvumo teorija persipina kaip du būdai pažvelgti į visatą ir jos komponentus“.

Nuoroda: Aleksandro Tkačenkos ir Dmitrijaus V. „Kazimiero savitarpio energijos tankis kvantiniuose elektrodinaminiuose laukuose“. Fiodorovas, 2023 m. sausio 24 d. Galima čia. Fizinės apžvalgos laiškai.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.041601