Fizicienii descoperă o nouă abordare pentru a rezolva misterul misterios al energiei întunecate

Ce se află în spatele energiei întunecate – și ce o leagă de constanta cosmologică introdusă de Albert Einstein? Doi fizicieni de la Universitatea din Luxemburg arată modalitatea de a răspunde la aceste întrebări deschise ale fizicii.

Universul are o serie de proprietăți bizare care sunt greu de înțeles cu experiența de zi cu zi. De exemplu, materia pe care o cunoaștem, constând din particule elementare și compozite care alcătuiesc molecule și materiale, aparent reprezintă doar o mică parte din energia universului. Cea mai mare contribuție, aproximativ două treimi, vine de laenergie întunecată„- o formă ipotetică de energie de care fizicienii de fond sunt încă perplexi. Mai mult decât atât, universul nu numai că se extinde constant, ci și într-un ritm din ce în ce mai mare.

Cele două caracteristici par a fi legate, deoarece energie întunecată este văzut și ca un motor de expansiune accelerată. Mai mult, ar putea reuni două școli fizice puternice de gândire: teoria cuantică a câmpului și teoria generală a relativității dezvoltată de Albert Einstein. Dar există o captură: calculele și observațiile de până acum sunt departe de a se potrivi. Doi cercetători luxemburghezi au arătat o nouă modalitate de a rezolva acest puzzle vechi de 100 de ani într-un articol publicat de jurnal. Scrisori de examinare fizică.

Urma particulelor virtuale în vid

„Vidul are energie. Acesta este un rezultat fundamental al teoriei câmpurilor cuantice”, explică profesorul Alexandre Tkatchenko, profesor de fizică teoretică la Departamentul de Fizică și Știința Materialelor de la Universitatea din Luxemburg. Această teorie a fost dezvoltată pentru a reuni mecanica cuantică și relativitatea specială, dar teoria cuantică a câmpurilor pare incompatibilă cu relativitatea generală. Caracteristica sa esențială: spre deosebire de mecanica cuantică, teoria consideră nu numai particulele, ci și câmpurile fără materie drept obiecte cuantice.

„În acest cadru, mulți cercetători consideră că energia întunecată este o expresie a așa-numitei energie a vidului”, spune Tkatchenko: o mărime fizică care, într-o imagine vie, este cauzată de apariția și constantele de interacțiune a perechilor de particule și antiparticulele acestora. . – ca electronii și pozitronii – în ceea ce este efectiv spațiu gol.

Fundal cosmic cu microunde văzut de Planck. Credit: ESA și colaborarea Planck

Fizicienii vorbesc despre acest dus și înapoi al particulelor virtuale și al câmpurilor lor cuantice ca fluctuații în vid sau punct zero. Pe măsură ce perechile de particule dispar rapid în neant, existența lor lasă în urmă o anumită cantitate de energie.

„Această energie a vidului are și o semnificație în relativitatea generală”, notează omul de știință luxemburghez: „Se manifestă în constanta cosmologică pe care Einstein a inclus-o în ecuațiile sale din motive fizice”.

O schimbare colosală

Spre deosebire de energia vidului, care poate fi dedusă doar din formulele teoriei câmpului cuantic, constanta cosmologică poate fi determinată direct prin experimente astrofizice. Măsurătorile cu telescopul spațial Hubble și misiunea spațială Planck au dat valori apropiate și de încredere pentru mărimea fizică fundamentală. Pe de altă parte, calculele de energie întunecată bazate pe teoria câmpului cuantic dau rezultate care corespund unei valori a constantei cosmologice de până la 10.¹²⁰ ori la fel de mare – un decalaj colosal, deși în viziunea asupra lumii a fizicienilor care predomină astăzi, cele două valori ar trebui să fie egale. În schimb, discrepanța găsită este cunoscută sub denumirea de „ghicitoare constantă cosmologică”.

„Aceasta este, fără îndoială, una dintre cele mai mari inconsecvențe din știința modernă”, a spus Alexander Tkatchenko.

Mod neconvențional de interpretare

Împreună cu colegul său de cercetare din Luxemburg, dr. Dmitri Fedorov, el a adus acum soluția acestui puzzle deschis de zeci de ani, un pas încă semnificativ. Într-o lucrare teoretică ale cărei rezultate le-au publicat recent în Scrisori de examinare fizică, cei doi cercetători luxemburghezi oferă o nouă interpretare a energiei întunecate. Se presupune că fluctuațiile punctului zero conduc la o polarizabilitate în vid, care poate fi atât măsurată, cât și calculată.

„În perechi de particule virtuale cu sarcină electrică opusă, rezultă din forțele electrodinamice pe care aceste particule le exercită unele asupra altora în timpul existenței lor extrem de scurte”, spune Tkatchenko. Fizicienii numesc acest vid auto-interacțiune. „Acest lucru duce la o densitate de energie care poate fi determinată folosind un nou model”, explică omul de știință din Luxemburg.

Împreună cu colegul său de cercetare Fedorov, au dezvoltat modelul de bază pentru atomi în urmă cu câțiva ani și l-au prezentat pentru prima dată în 2018. Modelul a fost folosit inițial pentru a descrie proprietățile atomice, în special relația dintre polarizabilitatea atomilor și proprietățile de echilibru. . a anumitor molecule și solide legate necovalent. Deoarece caracteristicile geometrice sunt destul de ușor de măsurat experimental, polarizabilitatea poate fi determinată și prin formula lor.

„Am transferat această procedură la procese în vid”, spune Fedorov. Pentru a face acest lucru, cei doi cercetători s-au uitat la comportamentul câmpurilor cuantice, reprezentând în special „venirea și plecarea” electronilor și pozitronilor. Fluctuațiile acestor câmpuri pot fi caracterizate și printr-o geometrie de echilibru deja cunoscută experimental. „Am inserat-o în formulele modelului nostru și astfel am obținut în cele din urmă puterea polarizării intrinseci în vid”, raportează Fedorov.

Ultimul pas a constat apoi în calcularea în mecanică cuantică a densității energetice a autointeracțiunii dintre fluctuațiile electronilor și pozitronilor. Rezultatul astfel obținut concordă bine cu valorile măsurate pentru constanta cosmologică. Aceasta înseamnă: „Energia întunecată poate fi atribuită densității energetice a auto-interacțiunii câmpurilor cuantice”, subliniază Alexander Tkatchenko.

Valori constante și previziuni verificabile

„Lucrarea noastră oferă astfel o abordare elegantă și neconvențională a rezolvării enigmei constantei cosmologice”, rezumă fizicianul. „În plus, oferă o predicție testabilă: și anume că câmpurile cuantice precum cele ale electronilor și pozitronilor posedă într-adevăr o polarizare intrinsecă mică, dar mereu prezentă”.

Această descoperire deschide calea unor experimente viitoare care să detecteze această polarizare și în laborator, spun cei doi cercetători luxemburghezi. „Scopul nostru este să derivăm constanta cosmologică dintr-o abordare teoretică cuantică riguroasă”, subliniază Dmitri Fedorov. „Și munca noastră conține o rețetă pentru a realiza asta.”

El vede noile rezultate obținute cu Alexander Tkatchenko drept primul pas către o mai bună înțelegere a energiei întunecate – și legătura acesteia cu constanta cosmologică a lui Albert Einstein.

În cele din urmă, Tkatchenko este convins: „În cele din urmă, ar putea arunca lumină și asupra modului în care teoria cuantică a câmpului și teoria relativității generale se împletesc ca două moduri de a privi universul și componentele sale”.

Referință: „Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields” de Alexandre Tkatchenko și Dmitry V. Fedorov, 24 ianuarie 2023, Scrisori de examinare fizică.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601