Физиците откриват нов начин за разрешаване на странната мистерия на тъмната енергия

Какво стои зад тъмната енергия – и какво я свързва с космологичната константа, въведена от Алберт Айнщайн? Двама физици от университета в Люксембург посочват начин за отговор на тези открити въпроси във физиката.

Вселената има редица странни свойства, които е трудно да се разберат чрез ежедневния опит. Например познатата ни материя, която се състои от елементарни и съставни частици, съставени от молекули и материя, очевидно съставлява само малка част от енергията на Вселената. Най-големият принос, около две трети, идва оттъмна енергия— хипотетична форма на енергия, от чиято основа физиците все още са озадачени. Нещо повече, вселената не само се разширява стабилно, но и с все по-бързи темпове.

Изглежда, че и двата имота са свързани, т.к тъмна енергия Също така се счита за двигател на ускореното разширяване. Нещо повече, той може да обедини две мощни мисловни школи на физиката: квантовата теория на полето и общата теория на относителността, разработена от Алберт Айнщайн. Но има една уловка: сметките и бележките далеч не са идентични. Двама люксембургски изследователи показват нов начин за разрешаване на тази 100-годишна мистерия в изследователска статия, публикувана от списанието Писма за физически преглед.

Ефектът на виртуалните частици във вакуум

„Вакуумът има енергия. Това е основен резултат от квантовата теория на полето“, обяснява професор Александър Ткаченко, професор по теоретична физика в катедрата по физика и науки за материалите в Люксембургски университет. Тази теория е разработена, за да комбинира квантовата механика и специалната теория на относителността, но квантовата теория на полето изглежда несъвместима с общата теория на относителността. Основното му предимство: за разлика от квантовата механика, теорията разглежда не само частиците, но и сферите, лишени от материя, като квантови обекти.

„В тази рамка много изследователи смятат, че тъмната енергия е израз на това, което се нарича вакуумна енергия“, казва Ткатченко, физическо количество, което е резултат в жива форма от появата и непрекъснатото взаимодействие на двойки частици и техните античастици – като като електрони и позитрони — в това, което в действителност е Празно пространство.

Космическият микровълнов фон на Планк. Кредит: Сътрудничество на ESA и Planck

Физиците говорят за идването и заминаването на виртуалните частици и техните квантови полета като флуктуации във вакуум или нулева точка. Тъй като двойки частици бързо избледняват обратно в нищото, тяхното присъствие оставя след себе си определено количество енергия.

Люксембургският учен отбелязва, че „тази вакуумна енергия има значение и в общата теория на относителността“: „Тя се проявява в космологичната константа, която Айнщайн е включил в своите уравнения по физически причини“.

Масово несъответствие

За разлика от енергията на вакуума, която може да бъде изведена само от уравненията 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. От друга страна, изчисленията на тъмната енергия, базирани на квантовата теория на полето, водят до резултати, съответстващи на стойността на космологичната константа, която е 10¹²⁰ пъти по-голямо – колосално несъответствие, въпреки че според преобладаващото мнение на физиците днес и двете стойности трябва да са равни. Вместо това съществуващото противоречие е известно като „енигмата на космологичната константа“.

„Това без съмнение е едно от най-големите противоречия в съвременната наука“, казва Александър Ткаченко.

Нетрадиционен начин на тълкуване

Заедно с колегата му изследовател от Люксембург д-р Дмитрий Федоров, той доближи важна стъпка до решението на тази мистерия, която е безкрайна от десетилетия. В теоретична работа те наскоро публикуваха резултатите си в Писма за физически прегледДвамата изследователи в Люксембург предложиха ново обяснение за тъмната енергия. Предполага се, че флуктуациите на нулевата точка предизвикват поляризацията на вакуума, която може да бъде измерена и изчислена.

„В двойки виртуални частици с противоположен електрически заряд те възникват от електродинамичните сили, които тези частици упражняват една върху друга по време на много краткото си време на съществуване“, обяснява Ткаченко. Физиците наричат ​​това самовзаимодействащ вакуум. „Това води до енергийна плътност, която може да се определи с помощта на нов модел“, казва ученият Люксембург.

Заедно с колегата изследовател Федоров, те разработиха фундаменталния модел на атомите преди няколко години и го представиха за първи път през 2018 г. Първоначално моделът беше използван за описание на атомни свойства, по-специално връзката между поляризациите на атомите и равновесните свойства на някои нековалентно свързани молекули и твърди вещества. Тъй като е много лесно да се измерват геометричните свойства експериментално, поляризацията може да се определи и по тяхната формула.

„Прехвърлихме това действие към операции във вакуум“, обяснява Федоров. За тази цел двамата изследователи разгледаха поведението на квантовите домейни, по-специално представянето на „идването и заминаването“ на електрони и позитрони. Флуктуациите на тези полета могат също да се характеризират с равновесна геометрия, която вече е известна от експериментите. „Вмъкнахме го във формулите на нашия модел и по този начин най-накрая получихме поляризационната сила на вътрешната празнота“, казва Федоров.

Последната стъпка тогава беше механичното изчисляване на енергийната плътност на самовзаимодействието между флуктуациите на електрони и позитрони. Полученият по този начин резултат е в добро съответствие с измерените стойности на космологичната константа. Това означава: „Тъмната енергия може да бъде проследена до енергийната плътност на самовзаимодействието на квантовите полета“, твърди Александър Ткаченко.

Последователни ценности и проверими очаквания

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

Това откритие сочи пътя за бъдещи експерименти за откриване на тази поляризация и в лабораторията, казват двамата базирани в Люксембург изследователи. „Нашата цел е да изведем космологичната константа от строг подход на квантовата теория“, твърди Дмитрий Федоров. „И нашата работа включва рецепта как да го реализираме.

Той вижда новите резултати, получени с Александър Ткаченко, като първа стъпка към по-добро разбиране на тъмната енергия – и нейната връзка с космологичната константа на Алберт Айнщайн.

Накрая Ткаченко е убеден: „В крайна сметка това може да хвърли светлина и върху начина, по който квантовата теория на полето и общата теория на относителността се преплитат като два начина за разглеждане на Вселената и нейните компоненти.“

Справка: „Плътност на енергията на самовзаимодействие на Казимир в квантови електродинамични полета“ от Александър Ткаченко и Дмитрий Федоров, 24 януари 2023 г., наличен тук. Писма за физически преглед.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601