Fizikçiler, karanlık enerjinin garip gizemini çözmenin yeni bir yolunu keşfediyor

Karanlık enerjinin arkasında ne var – ve onu Albert Einstein tarafından ortaya atılan kozmolojik sabite bağlayan nedir? Lüksemburg Üniversitesi’nden iki fizikçi, fizikteki bu açık soruları yanıtlamanın bir yolunu gösteriyor.

Evren, günlük deneyimlerle anlaşılması zor olan bir dizi tuhaf özelliğe sahiptir. Örneğin, molekülleri ve maddeyi oluşturmak için temel ve bileşik moleküllerden oluşan bildiğimiz madde, görünüşe göre evrenin enerjisinin yalnızca küçük bir bölümünü oluşturuyor. En büyük katkı, yaklaşık üçte ikisi,karanlık enerji– arka plandaki fizikçilerin hâlâ şaşkın olduğu varsayımsal bir enerji biçimi.Üstelik, evren yalnızca istikrarlı bir şekilde genişlemekle kalmıyor, aynı zamanda bunu her zamankinden daha hızlı bir şekilde yapıyor.

Görünüşe göre her iki özellik de birbiriyle ilişkili çünkü karanlık enerji Aynı zamanda hızlandırılmış genişlemenin itici gücü olarak kabul edilir. Dahası, iki güçlü fizik düşünce okulunu birleştirebilir: kuantum alan teorisi ve Albert Einstein tarafından geliştirilen genel görelilik teorisi. Ancak bir sorun var: hesaplar ve notlar aynı olmaktan çok uzak. İki Lüksemburglu araştırmacı, dergi tarafından yayınlanan bir araştırma makalesinde bu 100 yıllık gizemi çözmenin yeni bir yolunu gösteriyor. Fiziksel inceleme mektupları.

Sanal parçacıkların vakumdaki etkisi

Fizik ve Malzeme Bilimleri Bölümü’nde Teorik Fizik Profesörü olan Profesör Alexander Tkachenko, “Vakumun enerjisi vardır. Bu, kuantum alan teorisinin temel bir sonucudur” diye açıklıyor. Lüksemburg Üniversitesi. Bu teori, kuantum mekaniğini ve özel göreliliği birleştirmek için geliştirildi, ancak kuantum alan teorisi genel görelilik ile uyumsuz görünüyor. Başlıca avantajı: Kuantum mekaniğinin aksine, teori sadece parçacıkları değil, aynı zamanda maddeden yoksun küreleri de kuantum nesneleri olarak kabul eder.

Tkatchenko, “Bu çerçevede, birçok araştırmacı karanlık enerjiyi vakum enerjisi denen şeyin bir ifadesi olarak görüyor” diyor. elektronlar ve pozitronlar olarak – gerçekte Boş uzayda.

Planck’ın kozmik mikrodalga arka planı. Kredi: ESA ve Planck İşbirliği

Fizikçiler sanal parçacıkların geliş gidişlerinden ve onların kuantum alanlarından boşluktaki dalgalanmalar veya sıfır noktası olarak bahseder. Parçacık çiftleri hızla hiçliğe geri dönerken, varlıkları arkalarında belirli bir miktarda enerji bırakır.

Lüksemburglu bilim adamı, “bu vakum enerjisinin genel görelilikte de bir anlamı olduğunu” belirtiyor: “Einstein’ın fiziksel nedenlerle denklemlerine dahil ettiği kozmolojik sabitte kendini gösteriyor.”

Büyük uyumsuzluk

Yalnızca kuantum alan teorisinin denklemlerinden çıkarsanabilen bir vakumun enerjisinden farklı olarak, kozmolojik sabit doğrudan astrofiziksel deneylerle belirlenebilir. Hubble Uzay Teleskobu ve Planck uzay görevi ile yapılan ölçümler, temel fiziksel nicelik için yakın ve güvenilir değerler vermiştir. Öte yandan, kuantum alan teorisine dayalı karanlık enerji hesaplamaları, kozmolojik sabitin değerinin 10 olmasıyla tutarlı sonuçlara yol açmaktadır.¹²⁰ kat daha büyük – muazzam bir çelişki, ancak bugün hakim olan fizikçilerin dünya görüşüne göre her iki değer de eşit olmalıdır. Var olan çelişki bunun yerine “kozmolojik sabitin bilmecesi” olarak bilinir.

Alexander Tkachenko, “Hiç şüphesiz modern bilimdeki en büyük çelişkilerden biridir” diyor.

Geleneksel olmayan yorumlama yöntemi

Lüksemburglu araştırmacı Dr. Dmitry Fedorov ile birlikte, on yıllardır ucu açık olan bu gizeme şimdi önemli bir adım daha yaklaştırdı. Teorik bir çalışmada, sonuçlarını yakın zamanda yayınladılar. Fiziksel inceleme mektuplarıLüksemburg’daki iki araştırmacı, karanlık enerji için yeni bir açıklama önerdi. Sıfır noktası dalgalanmalarının, ölçülebilen ve hesaplanabilen vakum polarizasyonu ile sonuçlandığı varsayılmaktadır.

Tkachenko, “Zıt elektrik yüküne sahip sanal parçacık çiftlerinde, bu parçacıkların çok kısa varoluş süreleri boyunca birbirlerine uyguladıkları elektrodinamik kuvvetlerden kaynaklanırlar” diye açıklıyor Tkachenko. Fizikçiler bunu kendi kendine etkileşen bir boşluk olarak adlandırırlar. Bilim insanı Luxembourg, “Yeni bir model yardımıyla belirlenebilen bir enerji yoğunluğuna yol açıyor” diyor.

Araştırma meslektaşı Fedorov ile birlikte birkaç yıl önce atomların temel modelini geliştirdiler ve ilk kez 2018’de sundular. Model başlangıçta atomik özellikleri, özellikle de atomların polarizasyonları ile denge özellikleri arasındaki ilişkiyi tanımlamak için kullanıldı. bazı kovalent bağlı olmayan moleküller ve katılar. Geometrik özellikleri deneysel olarak ölçmek çok kolay olduğu için polarizasyon formülleri ile de belirlenebilir.

Fedorov, “Bu prosedürü boşluktaki operasyonlara aktardık” diye açıklıyor. Bu amaçla, iki araştırmacı kuantum alanlarının davranışına, özellikle elektronların ve pozitronların “gelip gitmelerinin” temsiline baktı. Bu alanların dalgalanmaları, zaten deneylerden bilinen bir denge geometrisi ile de karakterize edilebilir. Fedorov, “Bunu modelimizin formüllerine ekledik ve bu şekilde sonunda iç boşluğun kutuplaşma kuvvetini elde ettik” diyor.

O halde son adım, elektronların ve pozitronların dalgalanmaları arasındaki öz etkileşimin enerji yoğunluğunu mekanik olarak hesaplamaktı. Bu şekilde elde edilen sonuç, kozmolojik sabitin ölçülen değerleri ile iyi bir uyum içindedir. Bu şu anlama gelir: “Karanlık enerji, kuantum alanlarının kendi kendine etkileşiminin enerji yoğunluğuna kadar izlenebilir” diyor Alexander Tkachenko.

Tutarlı değerler ve doğrulanabilir beklentiler

Fizikçi, “Bu nedenle, çalışmamız kozmolojik sabitin gizemini çözmek için zarif ve geleneksel olmayan bir yaklaşım sunuyor.” “Ayrıca, doğrulanabilir bir tahmin sağlıyor: yani, elektronların ve pozitronlarınki gibi kuantum alanlarının gerçekten de küçük ama her zaman var olan içsel bir polarizasyona sahip olduğu.”

İki Lüksemburg araştırmacısı, bu bulgunun, laboratuvarda da bu kutuplaşmayı tespit etmek için gelecekteki deneylerin yolunu gösterdiğini belirtiyor. Dmitry Fedorov, “Amacımız, kozmolojik sabiti titiz bir kuantum teorisi yaklaşımından türetmek” diyor. “Ve çalışmamız, bunun nasıl gerçekleştirileceğine dair bir tarif içeriyor.”

Alexander Tkachenko ile elde edilen yeni sonuçları, karanlık enerjiyi ve bunun Albert Einstein’ın kozmolojik sabitiyle olan ilişkisini daha iyi anlamaya yönelik ilk adım olarak görüyor.

Son olarak, Tkatchenko ikna oldu: “Nihayetinde bu, kuantum alan teorisi ile genel görelilik teorisinin evrene ve bileşenlerine bakmanın iki yolu olarak iç içe geçmesine de ışık tutabilir.”

Referans: “Kuantum elektrodinamik alanlarda Casimir kendi kendine etkileşim enerji yoğunluğu”, Aleksandr Tkachenko ve Dmitry Fedorov, 24 Ocak 2023, Buradan erişilebilir. Fiziksel inceleme mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601