A fizikában alapvető probléma merül fel.
Egyetlen számot, kozmológiai állandóként hívják, áthidalja a kvantummechanika mikroszkopikus világát és Einstein általános relativitáselméletének makroszkopikus világát. De egyik elmélet sem ért egyet az értékében.
Valójában ilyen óriási eltérés van ezen állandó megfigyelt értéke és annak alapján, hogy az elmélet milyen előrejelzése szerint széles körben a fizika története legrosszabb becslésnek tekintik. Az ellentmondás feloldása lehet az elméleti fizika legfontosabb célja ebben a században.
Lucas Lombriser, a svájci Genfi Egyetem elméleti fizikai asszisztensének professzora új módszert vezetett be Albert Einstein gravitációs egyenleteinek megítélésére, hogy olyan értéket találjon a kozmológiai állandó számára, amely pontosan megfelel annak megfigyelt értékével. Online módszerrel közzétette a Physics Letters B. folyóirat október 10-i számában.
Hogyan vált Einstein legnagyobb hibája sötét energiává
A kozmológiai állandó története több mint egy évszázaddal kezdõdött, amikor Einstein bemutatta az egyenletek halmazát, amelyet ma Einstein mezõ egyenletnek hívnak, és amely az általános relativitáselmélet elméletének keretévé vált. Az egyenletek magyarázatot adnak arra, hogy az anyag és az energia miként sodorja el a tér és az idő szövetet, hogy megteremtse a gravitációs erőt. Abban az időben mind Einstein, mind a csillagászok egyetértettek abban, hogy az univerzum méretének rögzítve van, és hogy a galaxisok közötti teljes tér nem változott. Amikor azonban Einstein alkalmazta az általános relativitáselméletet az egész világegyetemre, elmélete előrevetítette egy instabil univerzumot, amely akár kibővül, akár összehúzódik. Az univerzum statikussá tétele érdekében Einstein megütötte a kozmológiai állandót.
Közel egy évtizeddel később egy másik fizikus, Edwin Hubble rájött, hogy univerzumunk nem statikus, hanem bővül. A távoli galaxisokból származó fény azt mutatta, hogy mind távolodnak egymástól. Ez a kinyilatkoztatás rágyőzte Einsteint, hogy hagyjon abba a kozmológiai állandót a terep egyenleteiből, mivel már nem volt szükséges magyarázni a bővülő univerzumot. A fizika tanulsága szerint Einstein később beismerte, hogy a kozmológiai állandó bevezetése talán a legnagyobb hibája.
1998-ban a távoli szupernóvák megfigyelései azt mutatták, hogy a világegyetem nem csak bővül, hanem a bővülés is felgyorsult. A galaxisok felgyorsultak egymástól, mintha valami ismeretlen erő túllépte volna a gravitációt, és elválasztotta ezeket a galaxisokat. A fizikusok ezt a titokzatos jelenséget sötét energiának nevezték el, mivel valódi természete rejtély marad.
Az iróniában a fizikusok ismét bevezették a kozmológiai állandót Einstein terepi egyenleteibe, hogy figyelembe vegyék a sötét energiát. A kozmológia jelenlegi standard modelljében, amelyet ΛCDM-ként (Lambda CDM) hívnak, a kozmológiai állandó felcserélhető a sötét energiával. A csillagászok még a távoli szupernóvák megfigyelései és a kozmikus mikrohullámú háttér ingadozásainak alapján becsülték meg annak értékét is. Bár az érték abszurd módon kicsi (10 ^ -52 / négyzetméterenkénti nagyságrendű), a világegyetem méretarányában, ez elég jelentős ahhoz, hogy megmagyarázza a tér gyorsított bővülését.
"A kozmológiai állandó jelenleg az univerzum energiatartalmának körülbelül 70% -át teszi ki, és erről következtethetünk a megfigyelt felgyorsult expanzióra, amelyet jelenleg világegyetemünk átél. Ennek az állandónak azonban nincs kitéve" - mondta Lombriser. "Nem sikerült megmagyarázni a kísérletet, és úgy tűnik, van valami alapvető kérdés, ami hiányzik a kozmosz megértésében. Ennek a rejtvénynek a feltárása a modern fizika egyik legfontosabb kutatási területe. Általában várható, hogy a kérdés megoldása vezethet minket a fizika alapvető megértéséhez. "
A fizika történetének legrosszabb elméleti előrejelzése
Úgy gondolják, hogy a kozmológiai állandó képviseli azt, amit a fizikusok „vákuumenergiának” hívnak. A kvantummező-elmélet szerint a virtuális részecskék még egy teljesen üres térvákuumban is felbukkannak és léteznek, és energiát teremtenek - látszólag abszurd gondolat, ám ezt kísérletileg megfigyelték. A probléma akkor merül fel, amikor a fizikusok megkísérlik kiszámítani annak hozzájárulását a kozmológiai állandóhoz. Eredményeik különbözik a megfigyelésektől 10 ^ 121 (azaz 10, amelyet 120 nulla követi) elképesztő tényezővel (az egész fizikában a legnagyobb eltérés az elmélet és a kísérlet között).
Ez a különbség egyes fizikusokat kétségbe vonta Einstein eredeti gravitációs egyenleteit; néhányan alternatív gravitációs modelleket is javasolt. A gravitációs hullámoknak a Lézer-interferométer gravitációs-hullám-megfigyelőközpontja (LIGO) általi további bizonyítékai azonban csak erősítették az általános relativitáselméletet, és elutasították ezen alternatív elméletek sokaságát. Éppen ezért a gravitáció átgondolása helyett Lombriser más megközelítést választott a kozmikus puzzle megoldására.
"Az általam javasolt mechanizmus nem módosítja Einstein terepi egyenleteit" - mondta Lombriser. Ehelyett "hozzáad egy további egyenletet Einstein terepi egyenleteinek tetejére".
A gravitációs állandó, amelyet először Isaac Newton gravitációs törvényeiben használtak, és most Einstein teregyenletének lényeges része, leírja az objektumok közötti gravitációs erő nagyságát. A fizika egyik alapvetõ állandójának tekintik, a világegyetem kezdete óta örökké változatlanul. Lombriser azt a drámai feltételezést tette, hogy ez az állandó megváltozhat.
Az általános relativitáselmélet Lombriser-féle módosításakor a gravitációs állandó ugyanaz marad a megfigyelhető univerzumban, de azon túl is változhat. Olyan többváltozós forgatókönyvet javasol, ahol lehetnek a számunkra láthatatlan világegyetem olyan foltok, amelyeknek az alapvető állandók eltérő értékei vannak.
A gravitáció ilyen variációja Lombriser számára egy további egyenletet adott, amely a kozmológiai állandót az anyag átlagos összegével foglalja össze a téridőben. Miután elszámolta az univerzum összes galaxisának, csillagának és sötét anyagának becsült tömegét, meg tudja oldani az új egyenletet, hogy új értéket kapjon a kozmológiai állandó számára - amely pontosan megegyezik a megfigyelésekkel.
Egy új, parameter (omega lambda) paraméterrel, amely kifejezi az univerzum sötét anyagból készült részét, megállapította, hogy az univerzum körülbelül 74% sötét energiából áll. Ez a szám pontosan megegyezik a megfigyelések alapján becsült 68,5% -kal - ez óriási javulás a kvantummező-elmélet által feltárt hatalmas különbségekhez képest.
Bár a Lombriser-keret megoldhatja a kozmológiai állandó problémát, jelenleg nincs mód arra, hogy teszteljük. De a jövőben, ha más elméletekből származó kísérletek igazolják az egyenleteit, ez jelentős előrelépést jelenthet a sötét energia megértésében, és eszközként szolgálhat más kozmikus rejtélyek megoldásához.
