Нов подход към разрешаването на мистерията на тъмната енергия


тъмна енергия

Кредит: CC0 Public Domain

Какво стои зад тъмната енергия и какво я свързва с космологичната константа, въведена от Алберт Айнщайн? Двама физици от университета в Люксембург посочват пътя към отговорите на тези открити въпроси на физиката.

Вселената има редица странни свойства, които е трудно да се разберат с ежедневния опит. Например материята, която познаваме, състояща се от атоми, молекули и други частици, очевидно съставлява само малка част от енергийната плътност на Вселената. Най-големият принос, повече от две трети, идва от “тъмна енергия„—хипотетична форма на енергия, над чиято основа физиците все още се чудят.

Освен това Вселената не само се разширява стабилно, но и го прави с все по-бързи темпове. И двете характеристики изглеждат свързани, тъй като тъмната енергия също се счита за двигател на ускореното разширяване. Освен това може да обедини отново две мощни физически школи на мисълта: квантова теория на полето и на обща теория на относителността разработен от Алберт Айнщайн. Но има една уловка: изчисленията и наблюденията досега далеч не съвпадат. Сега двама изследователи от Люксембург показаха начин за разрешаване на тази 100-годишна загадка в статия, публикувана от Писма за физически преглед.

Следата от виртуални частици във вакуум

„Тъмната енергия възниква от формулите на квантовата теория на полето“, обяснява проф. Александър Ткаченко, професор по теоретична физика на твърдото тяло в катедрата по физика и науки за материалите в университета в Люксембург. Тази теория е разработена, за да обедини квантова механика и общата теория на относителността, които са несъвместими във фундаментални аспекти.

Нейната съществена характеристика: за разлика от квантовата механика, теорията разглежда не само частиците, но и безматериалните полета като квантови обекти. „В тази рамка много изследователи разглеждат тъмната енергия като израз на така наречената вакуумна енергия“, казва Ткатченко: физическо количество, което в ярък образ е причинено от постоянно възникване на двойки частици и техните античастици – като като електрони и позитрони – в това, което всъщност е празно пространство.

Физиците говорят за това идване и заминаване на виртуални частици и техните квантови полета като вакуум или флуктуации на нулева точка. Докато двойките частици моментално изчезват отново в нищото, те оставят след себе си определено количество енергия. „Тази вакуумна енергия също има значение в обща теория на относителността“, отбелязва люксембургският учен. „Това се проявява в космологичната константа, която Айнщайн е вмъкнал в своите уравнения по математически причини.”

Колосално несъответствие

За разлика от тъмната енергия, която може да бъде изведена само от формулите на квантовата теория на полето, космологичната константа може да бъде определена директно чрез астрофизични експерименти. Измерванията с космическия телескоп Хъбъл и космическата мисия Планк дадоха близки и надеждни стойности за фундаменталното физическо количество.

Изчисленията на тъмната енергия на базата на квантовата теория на полето, от друга страна, дават резултати, които съответстват на стойност на космологичната константа, която е до 10120 пъти по-голямо – колосално несъответствие – въпреки че в светогледа на физиците, преобладаващ днес, и двете стойности трябва да са равни. Вместо това установеното несъответствие е известно като „енигмата на космологичната константа“. „Това несъмнено е едно от най-големите несъответствия в съвременната наука“, казва Александър Ткаченко.

Нетрадиционен начин на тълкуване

Заедно със своя колега изследовател от Люксембург д-р Димитрий Федоров, той сега е доближил значително решението на този пъзел, който е отворен от десетилетия. В теоретична статия, резултатите от която публикуваха наскоро, двамата люксембургски изследователи предлагат нова интерпретация на тъмната енергия. Предполага се, че флуктуациите на нулевата точка водят до поляризуемост на вакуума, която може да бъде както измерена, така и изчислена.

„Във виртуални двойки частици с an електрически зарядвъзниква от електродинамични сили, които тези частици упражняват една върху друга по време на изключително краткото си съществуване”, обяснява Ткаченко. Физиците наричат ​​това самовзаимодействие, а поляризуемостта в такива частици е характеристика на реакцията към него. “Това води до енергийна плътност, която може да се определи с помощта на нов модел“, казва люксембургският учен.

Заедно със своя колега изследовател Федоров, той разработи този модел и го представи за първи път през 2018 г., първоначално използван за описване на атомни свойства, например в твърди вещества. Тъй като геометричните характеристики са доста лесни за експериментално измерване, поляризуемостта може да се определи и чрез тези отклонения.

„Ние прехвърлихме тази процедура към процесите във вакуума“, обяснява Федоров. За да направят това, двамата изследователи разгледаха поведението на електроните и позитроните, които третираха като полета според принципите на квантовата теория на полето. Флуктуациите на тези полета могат също да се характеризират с равновесна геометрия, чиято стойност вече е известна от експерименти.

„Вмъкнахме го във формулите на нашия модел и по този начин в крайна сметка получихме силата на поляризацията на вакуума“, съобщава Федоров. Последната стъпка беше да се изчисли квантово механично енергийната плътност на самовзаимодействието между електроните и позитроните. Резултатът, получен по този начин, се съгласува добре с измерените стойности за космологичната константа: Това означава: „Тъмната енергия може да бъде проследена до енергийната плътност на самовзаимодействието на квантовите полета“, подчертава Александър Ткаченко.

Последователни стойности и проверими прогнози

„По този начин нашата работа предлага елегантен и нетрадиционен подход към разрешаването на загадката на космологичната константа“, обобщава физикът. „Освен това, той осигурява проверима прогноза: а именно, че квантовите полета като тези на електроните и позитроните наистина притежават малка, но винаги присъстваща поляризация.“

Това откритие сочи пътя за бъдещи експерименти за откриване на тази поляризация и в лабораторията, казват двамата люксембургски изследователи, които сега искат да приложат своя модел към други двойки частица-античастица. „Нашата концептуална идея трябва да бъде приложима във всяка област“, ​​подчертава Александър Ткаченко. Той вижда новите резултати, получени заедно с Димитрий Федоров, като първа стъпка към по-добро разбиране на тъмната енергия и нейната връзка с Алберт Айнщайн космологична константа.

Ткаченко е убеден: „В крайна сметка това също ще хвърли светлина върху начина, по който квантовата теория на полето и общата теория на реактивността са преплетени като два начина за разглеждане на Вселената и нейните компоненти.“

Повече информация:
Alexander Tkatchenko et al, Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodinamical Fields, Писма за физически преглед (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601

Цитат: Нов подход към разрешаването на мистерията на тъмната енергия (2023 г., 24 януари), извлечен на 25 януари 2023 г. от https://phys.org/news/2023-01-approach-mystery-dark-energy.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.