Fiziķi ir ierosinājuši jaunu skaidrojumu tumšajai enerģijai. Tas var sniegt ieskatu savstarpējā atkarībā starp kvantu lauka teoriju un vispārējās relativitātes teoriju, kas ir divas Visuma un tā elementu perspektīvas.
Kas slēpjas aiz tumšās enerģijas – un kas to saista ar Alberta Einšteina ieviesto kosmoloģisko konstanti? Divi fiziķi no Luksemburgas Universitātes norāda uz veidu, kā atbildēt uz šiem atklātajiem jautājumiem fizikā.
Visumam ir vairākas dīvainas īpašības, kuras ir grūti saprast, izmantojot ikdienas pieredzi. Piemēram, matērija, kā mēs to zinām, kas sastāv no elementārām un saliktām molekulām, lai izveidotu molekulas un vielu, acīmredzot veido tikai nelielu daļu no Visuma enerģijas. Lielākais ieguldījums, aptuveni divas trešdaļas, nāk notumšā enerģija– hipotētiska enerģijas forma, kuras fona fiziķi joprojām ir neizpratnē, turklāt Visums ne tikai nepārtraukti paplašinās, bet arī dara to arvien straujāk.
Šķiet, ka abi īpašumi ir saistīti, jo tumšā enerģija Tas tiek uzskatīts arī par paātrinātas paplašināšanās virzītājspēku. Turklāt tā var apvienot divas spēcīgas fizikas skolas: kvantu lauka teoriju un Alberta Einšteina izstrādāto vispārējo relativitātes teoriju. Taču ir āķis: konti un piezīmes nebūt nav identiskas. Divi Luksemburgas pētnieki žurnāla publicētajā pētnieciskajā dokumentā parāda jaunu veidu, kā atrisināt šo 100 gadus veco noslēpumu Fiziskās apskates vēstules.
Virtuālo daļiņu ietekme vakuumā
“Vakuumam ir enerģija. Tas ir kvantu lauka teorijas fundamentāls rezultāts,” skaidro profesors Aleksandrs Tkačenko, Fizikas un materiālu zinātņu katedras teorētiskās fizikas profesors. Luksemburgas Universitāte. Šī teorija tika izstrādāta, lai apvienotu kvantu mehāniku un īpašo relativitāti, taču šķiet, ka kvantu lauka teorija nav savienojama ar vispārējo relativitāti. Tās galvenā priekšrocība: atšķirībā no kvantu mehānikas, teorija par kvantu objektiem uzskata ne tikai daļiņas, bet arī sfēras, kurās nav vielas.
“Šajā kontekstā daudzi pētnieki uzskata, ka tumšā enerģija ir tā sauktās vakuuma enerģijas izpausme,” saka Tkatčenko, fizisku lielumu, kas dzīvā formā rodas daļiņu un to antidaļiņu pāru parādīšanās un nepārtrauktas mijiedarbības rezultātā. kā elektroni un pozitroni — tajā, kas patiesībā ir Tukša telpa.
Planka kosmiskais mikroviļņu fons. Kredīts: ESA un Planck Collaboration
Fiziķi runā par virtuālo daļiņu atnākšanu un aiziešanu un to kvantu laukiem kā svārstībām vakuumā vai nulles punktā. Tā kā daļiņu pāri ātri izzūd atpakaļ nebūtībā, to klātbūtne atstāj noteiktu enerģijas daudzumu.
Luksemburgas zinātnieks atzīmē, ka “šī vakuuma enerģijai ir nozīme arī vispārējā relativitātes teorijā”: “Tā izpaužas kosmoloģiskajā konstantē, ko Einšteins iekļāva savos vienādojumos fizisku iemeslu dēļ.”
Milzīga neatbilstība
Atšķirībā no vakuuma enerģijas, ko var izsecināt tikai no kvantu lauka teorijas vienādojumiem, kosmoloģisko konstanti var noteikt tieši ar astrofiziskiem eksperimentiem. Mērījumi ar Habla kosmosa teleskopu un Planka kosmosa misiju ir devuši tuvas un uzticamas fundamentālā fiziskā daudzuma vērtības. No otras puses, tumšās enerģijas aprēķini, kuru pamatā ir kvantu lauka teorija, noved pie rezultātiem, kas atbilst kosmoloģiskās konstantes vērtībai 10120 reizes lielāka – kolosāla neatbilstība, lai gan saskaņā ar fiziķu šodien valdošo uzskatu abām vērtībām jābūt vienādām. Tā vietā esošā pretruna tiek dēvēta par “kosmoloģiskās konstantes mīkla”.
“Tā neapšaubāmi ir viena no lielākajām pretrunām mūsdienu zinātnē,” saka Aleksandrs Tkačenko.
Netradicionāls interpretācijas veids
Kopā ar Luksemburgas pētnieku Dr. Dmitriju Fjodorovu viņš tagad ir atradis risinājumu šim noslēpumam, kas gadu desmitiem ir bijis beztermiņa, un tas ir svarīgs solis tuvāk. Teorētiskā darbā viņi nesen publicēja savus rezultātus Fiziskās apskates vēstulesAbi pētnieki Luksemburgā ierosināja jaunu skaidrojumu tumšajai enerģijai. Tiek pieņemts, ka nulles punkta svārstības rada vakuuma polarizāciju, ko var izmērīt un aprēķināt.
“Virtuālo daļiņu pāros ar pretēju elektrisko lādiņu tie rodas no elektrodinamiskajiem spēkiem, ko šīs daļiņas iedarbojas viena uz otru ļoti īsā pastāvēšanas laikā,” skaidro Tkačenko. Fiziķi to dēvē par vakuumu, kas mijiedarbojas ar sevi. “Tas noved pie enerģijas blīvuma, ko var noteikt ar jauna modeļa palīdzību,” saka zinātnieks Luksemburgs.
Kopā ar pētnieku Fjodorovu viņi pirms dažiem gadiem izstrādāja atomu fundamentālo modeli un pirmo reizi to prezentēja 2018. gadā. Sākotnēji modelis tika izmantots, lai aprakstītu atomu īpašības, jo īpaši attiecības starp atomu polarizāciju un līdzsvara īpašībām. dažām nekovalenti saistītām molekulām un cietām vielām. Tā kā ģeometriskās īpašības ir ļoti viegli izmērīt eksperimentāli, polarizāciju var noteikt arī pēc to formulas.
“Mēs šo procedūru pārnesām uz operācijām vakuumā,” skaidro Fjodorovs. Šim nolūkam abi pētnieki aplūkoja kvantu domēnu uzvedību, jo īpaši elektronu un pozitronu “nākšanas un aiziešanas” attēlojumu. Šo lauku svārstības var raksturot arī ar līdzsvara ģeometriju, kas jau zināma no eksperimentiem. “Mēs to ievietojām sava modeļa formulās, un tādā veidā mēs beidzot ieguvām iekšējā tukšuma polarizācijas spēku,” saka Fedorovs.
Pēc tam pēdējais solis bija mehāniski aprēķināt pašmijiedarbības enerģijas blīvumu starp elektronu un pozitronu svārstībām. Šādā veidā iegūtais rezultāts labi saskan ar izmērītajām kosmoloģiskās konstantes vērtībām. Tas nozīmē: “Tumšo enerģiju var izsekot kvantu lauku pašmijiedarbības enerģijas blīvumam,” apgalvo Aleksandrs Tkačenko.
Konsekventas vērtības un pārbaudāmas cerības
“Tādējādi mūsu darbs piedāvā elegantu un netradicionālu pieeju kosmoloģiskās konstantes noslēpuma atrisināšanai,” secina fiziķis. “Turklāt tas sniedz pārbaudāmu prognozi: proti, ka kvantu laukiem, piemēram, elektronu un pozitronu laukiem, patiešām ir neliela, bet vienmēr pastāvoša iekšējā polarizācija.”
Šis atklājums norāda uz ceļu turpmākiem eksperimentiem, lai atklātu šo polarizāciju arī laboratorijā, saka divi Luksemburgas pētnieki. “Mūsu mērķis ir iegūt kosmoloģisko konstanti no stingras kvantu teorijas pieejas,” apgalvo Dmitrijs Fjodorovs. “Un mūsu darbs ietver recepti, kā to realizēt.”
Viņš uzskata, ka jaunie rezultāti, kas iegūti ar Aleksandru Tkačenko, ir pirmais solis ceļā uz labāku izpratni par tumšo enerģiju un tās saistību ar Alberta Einšteina kosmoloģisko konstanti.
Visbeidzot, Tkatčenko ir pārliecināts: “Galu galā tas var arī izgaismot to, kā kvantu lauka teorija un vispārējā relativitātes teorija savijas kā divi veidi, kā aplūkot Visumu un tā sastāvdaļas.”
Atsauce: Aleksandra Tkačenko un Dmitrija Fjodorova “Kazimira pašmijiedarbības enerģijas blīvums kvantu elektrodinamiskajos laukos”, 2023. gada 24. janvāris, pieejams šeit. Fiziskās apskates vēstules.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
