Фізики запропонували нове пояснення темної енергії. Він може пролити розуміння взаємозалежності між квантовою теорією поля та загальною теорією відносності як двома перспективами Всесвіту та його елементів.
Що стоїть за темною енергією і що пов’язує її з космологічною постійною, введеною Альбертом Ейнштейном? Двоє фізиків з Люксембурзького університету вказують на спосіб відповісти на ці відкриті запитання фізики.
Всесвіт має низку дивних властивостей, які важко зрозуміти через повсякденний досвід. Наприклад, відома нам матерія, яка складається з елементарних і складних частинок, що складаються з молекул і речовини, очевидно, становить лише невелику частину енергії Всесвіту. Найбільший внесок, близько двох третин, надходить відтемна енергія– гіпотетична форма енергії, передумови якої фізики досі спантеличені.Більше того, Всесвіт не лише стабільно розширюється, але й робить це все швидше.
Здається, обидві властивості пов’язані, т.к темна енергія Він також вважається рушієм прискореного розширення. Крім того, він може об’єднати дві потужні фізичні школи: квантову теорію поля та загальну теорію відносності, розроблену Альбертом Ейнштейном. Але є заковика: рахунки та примітки далеко не ідентичні. Двоє люксембурзьких дослідників показують новий спосіб розгадати цю 100-річну таємницю в дослідницькій статті, опублікованій журналом Листи фізичного огляду.
Ефект віртуальних частинок у вакуумі
“Вакуум має енергію. Це фундаментальний результат квантової теорії поля”, – пояснює професор Олександр Ткаченко, професор кафедри теоретичної фізики на кафедрі фізики та матеріалознавства на Люксембурзький університет. Ця теорія була розроблена для поєднання квантової механіки та спеціальної теорії відносності, але квантова теорія поля виявляється несумісною із загальною теорією відносності. Її головна перевага: на відміну від квантової механіки, теорія розглядає як квантові об’єкти не лише частинки, а й сфери, позбавлені матерії.
«У цьому контексті багато дослідників вважають темну енергію вираженням того, що називається енергією вакууму», — каже Ткатченко, фізичної величини, яка в живій формі є результатом появи та постійної взаємодії пар частинок та їхніх античастинок — таких як електрони і позитрони — в тому, що є насправді Порожній простір.
Космічний мікрохвильовий фон Планка. Авторство зображення: співпраця ESA та Planck
Фізики говорять про надходження та зникнення віртуальних частинок та їхніх квантових полів як про флуктуації у вакуумі або нульовій точці. Оскільки пари частинок швидко зникають у небуття, їх присутність залишає певну кількість енергії.
Люксембурзький вчений зазначає, що «ця вакуумна енергія також має значення в загальній теорії відносності»: «Вона проявляється в космологічній постійній, яку Ейнштейн включив у свої рівняння з фізичних причин».
Масова невідповідність
На відміну від енергії вакууму, яку можна вивести лише з рівнянь квантової теорії поля, космологічну постійну можна визначити безпосередньо за допомогою астрофізичних експериментів. Вимірювання за допомогою космічного телескопа «Хаббл» і космічної місії «Планк» дали близькі та надійні значення фундаментальної фізичної величини. З іншого боку, розрахунки темної енергії, засновані на квантовій теорії поля, дають результати, що відповідають значенню космологічної постійної 10120 разів більше – колосальна розбіжність, хоча згідно з домінуючим сьогодні уявленням фізиків, обидві величини повинні бути рівними. Натомість існуюче протиріччя відоме як «загадка космологічної постійної».
«Це, безсумнівно, одне з найбільших протиріч у сучасній науці, — каже Олександр Ткаченко.
Нетрадиційний спосіб інтерпретації
Разом із колегою-дослідником з Люксембургу, доктором Дмитром Федоровим, він наблизив розгадку цієї таємниці, яка була відкритою протягом десятиліть, на важливий крок. У теоретичній роботі вони нещодавно опублікували свої результати в Листи фізичного оглядуДвоє дослідників із Люксембургу запропонували нове пояснення темної енергії. Припускається, що флуктуації нульової точки призводять до поляризації вакууму, яку можна виміряти та обчислити.
«У парах віртуальних частинок протилежного електричного заряду вони виникають внаслідок електродинамічних сил, які ці частинки діють одна на одну протягом дуже короткого часу існування», — пояснює Ткаченко. Фізики називають це самовзаємодіючим вакуумом. «Це призводить до щільності енергії, яку можна визначити за допомогою нової моделі», — каже вчений Люксембург.
Разом із колегою-дослідником Федоровим кілька років тому вони розробили фундаментальну модель атомів і вперше представили її у 2018 році. Спочатку модель використовувалася для опису атомних властивостей, зокрема зв’язку між поляризаціями атомів і властивостями рівноваги. деяких нековалентних зв’язків молекул і твердих тіл. Оскільки експериментально виміряти геометричні властивості дуже легко, поляризацію також можна визначити за їх формулою.
«Ми перенесли цю процедуру на операції у вакуумі», — пояснює Федоров. З цією метою обидва дослідники розглянули поведінку квантових доменів, зокрема представлення «приходу та відходу» електронів і позитронів. Флуктуації цих полів також можна охарактеризувати геометрією рівноваги, вже відомою з експериментів. «Ми вставили це у формули нашої моделі, і таким чином нарешті отримали силу поляризації внутрішньої порожнечі», — каже Федоров.
Останнім кроком було механічне обчислення щільності енергії самовзаємодії між флуктуаціями електронів і позитронів. Отриманий таким чином результат добре узгоджується з виміряними значеннями космологічної постійної. Це означає: «Темну енергію можна простежити до щільності енергії самовзаємодії квантових полів», — стверджує Олександр Ткаченко.
Послідовні цінності та перевірені очікування
«Таким чином, наша робота пропонує елегантний і нетрадиційний підхід до розгадки таємниці космологічної постійної», — підсумовує фізик. «Більше того, він забезпечує перевірене передбачення, а саме те, що квантові поля, такі як поля електронів і позитронів, справді мають невелику, але постійно присутню власну поляризацію».
Цей висновок вказує шлях для майбутніх експериментів, щоб виявити цю поляризацію також і в лабораторії, кажуть двоє люксембурзьких дослідників. «Наша мета — вивести космологічну постійну з підходу строгої квантової теорії», — стверджує Дмитро Федоров. «І в нашій роботі є рецепт, як це реалізувати».
Він бачить нові результати, отримані разом з Олександром Ткаченком, як перший крок до кращого розуміння темної енергії та її зв’язку з космологічною константою Альберта Ейнштейна.
Нарешті, Ткатченко переконаний: «Зрештою, це також може пролити світло на те, як квантова теорія поля та загальна теорія відносності переплітаються як два способи погляду на Всесвіт та його компоненти».
Довідка: “Густина енергії самовзаємодії Казимира в квантових електродинамічних полях” Олександр Ткаченко та Дмитро В. Федоров, 24 січня 2023 р. Доступно тут. Листи фізичного огляду.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
