W fizyce istnieje podstawowy problem.
Pojedyncza liczba, zwana stałą kosmologiczną, łączy mikroskopijny świat mechaniki kwantowej z makroskopowym światem teorii względności ogólnej Einsteina. Ale żadna teoria nie może zgodzić się co do jej wartości.
W rzeczywistości istnieje tak ogromna rozbieżność między obserwowaną wartością tej stałej a tym, co teoria przewiduje, że jest ona powszechnie uważana za najgorszą prognozę w historii fizyki. Rozwiązanie tej rozbieżności może być najważniejszym celem fizyki teoretycznej tego stulecia.
Lucas Lombriser, adiunkt fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Genewskim w Szwajcarii, wprowadził nowy sposób oceny równań grawitacyjnych Alberta Einsteina w celu znalezienia wartości stałej kosmologicznej, która ściśle odpowiada jej obserwowanej wartości. Swoją metodę opublikował online w 10 października czasopisma Physics Letters B.
Jak największy błąd Einsteina stał się ciemną energią
Historia stałej kosmologicznej rozpoczęła się ponad sto lat temu, gdy Einstein przedstawił zestaw równań, zwanych obecnie równaniami pola Einsteina, które stały się ramą jego teorii ogólnej teorii względności. Równania wyjaśniają, w jaki sposób materia i energia wypaczają strukturę przestrzeni i czasu, tworząc siłę grawitacji. W tym czasie zarówno Einstein, jak i astronomowie zgodzili się, że wszechświat ma ustaloną wielkość i że ogólna przestrzeń między galaktykami nie uległa zmianie. Jednak gdy Einstein zastosował ogólną teorię względności do wszechświata jako całości, jego teoria przewidywała niestabilny wszechświat, który albo się rozszerzy, albo skurczy. Aby zmusić wszechświat do statyczności, Einstein zajął się stałą kosmologiczną.
Niemal dziesięć lat później inny fizyk, Edwin Hubble, odkrył, że nasz wszechświat nie jest statyczny, lecz się rozszerza. Światło odległych galaktyk pokazało, że wszystkie się od siebie oddalają. To objawienie przekonało Einsteina do porzucenia stałej kosmologicznej ze swoich równań pola, ponieważ nie było już konieczne wyjaśnianie rozszerzającego się wszechświata. Wiedza fizyki głosi, że później Einstein wyznał, że jego wprowadzenie kosmologicznej stałej było być może jego największym błędem.
W 1998 r. Obserwacje odległych supernowych wykazały, że wszechświat nie tylko się rozszerza, ale rozszerza się coraz szybciej. Galaktyki przyspieszały od siebie, jakby jakaś nieznana siła przezwyciężyła grawitację i rozdzieliła je. Fizycy nazwali to enigmatyczne zjawisko ciemną energią, ponieważ jego prawdziwa natura pozostaje tajemnicą.
Ironiczną niespodzianką jest to, że fizycy ponownie wprowadzili stałą kosmologiczną do równań pola Einsteina, aby uwzględnić ciemną energię. W obecnym standardowym modelu kosmologii, znanym jako ΛCDM (Lambda CDM), stała kosmologiczna jest wymienna z ciemną energią. Astronomowie oszacowali nawet jego wartość na podstawie obserwacji odległych supernowych i fluktuacji w kosmicznym tle mikrofalowym. Chociaż wartość jest absurdalnie mała (rzędu 10 ^ -52 na metr kwadratowy), w skali wszechświata jest wystarczająco znacząca, aby wyjaśnić przyspieszoną ekspansję przestrzeni.
„Stała kosmologiczna stanowi obecnie około 70% zawartości energii w naszym wszechświecie, co możemy wywnioskować z obserwowanego przyspieszenia ekspansji, w którym obecnie znajduje się nasz wszechświat. Jednak ta stała nie jest zrozumiała” - powiedział Lombriser. „Próby wyjaśnienia go nie powiodły się i wydaje się, że w naszym rozumieniu kosmosu brakuje czegoś fundamentalnego. Odkrywanie tej zagadki jest jednym z głównych obszarów badań we współczesnej fizyce. Ogólnie oczekuje się, że rozwiązanie problemu może doprowadzić nas do bardziej fundamentalnego zrozumienia fizyki ”.
Najgorsze teoretyczne przewidywania w historii fizyki
Uważa się, że stała kosmologiczna reprezentuje to, co fizycy nazywają „energią próżni”. Teoria pola kwantowego stwierdza, że nawet w całkowicie pustej próżni kosmicznej cząstki wirtualne pojawiają się i znikają z istnienia i wytwarzają energię - pozornie absurdalny pomysł, ale zaobserwowany eksperymentalnie. Problem pojawia się, gdy fizycy próbują obliczyć swój udział w stałej kosmologicznej. Ich wynik różni się od obserwacji zadziwiającym współczynnikiem 10 ^ 121 (czyli 10, a następnie 120 zer), co jest największą rozbieżnością między teorią a eksperymentem w całej fizyce.
Taka rozbieżność spowodowała, że niektórzy fizycy wątpili w oryginalne równania grawitacyjne Einsteina; niektórzy sugerowali nawet alternatywne modele grawitacji. Jednak dalsze dowody fal grawitacyjnych przez Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) jedynie wzmocniły ogólną teorię względności i odrzuciły wiele z tych alternatywnych teorii. Dlatego zamiast przemyśleć grawitację, Lombriser zastosował inne podejście do rozwiązania tej kosmicznej układanki.
„Mechanizm, który proponuję, nie modyfikuje równań pola Einsteina” - powiedział Lombriser. Zamiast tego „dodaje dodatkowe równanie nad równaniami pola Einsteina”.
Stała grawitacyjna, która została po raz pierwszy zastosowana w prawach grawitacji Izaaka Newtona, a obecnie jest istotną częścią równań pola Einsteina, opisuje wielkość siły grawitacji między obiektami. Jest uważany za jedną z podstawowych stałych fizyki, wiecznie niezmienioną od początku wszechświata. Lombriser dokonał dramatycznego założenia, że ta stała może się zmienić.
W modyfikacji ogólnej teorii względności Lombrisera stała grawitacyjna pozostaje taka sama w naszym obserwowalnym wszechświecie, ale może się od niej różnić. Sugeruje wieloświatowy scenariusz, w którym mogą istnieć niewidoczne dla nas łaty wszechświata, które mają różne wartości dla podstawowych stałych.
Ta zmiana grawitacji dała Lombriserowi dodatkowe równanie, które odnosi stałą kosmologiczną do średniej sumy materii w czasoprzestrzeni. Po tym, jak uwzględnił szacunkową masę wszystkich galaktyk, gwiazd i ciemnej materii wszechświata, mógł rozwiązać to nowe równanie, aby uzyskać nową wartość stałej kosmologicznej - taką, która ściśle zgadza się z obserwacjami.
Używając nowego parametru ΩΛ (omega lambda), który wyraża ułamek wszechświata zbudowanego z ciemnej materii, odkrył, że wszechświat składa się z około 74% ciemnej energii. Liczba ta ściśle odpowiada wartości 68,5% oszacowanej na podstawie obserwacji - ogromna poprawa w stosunku do ogromnej dysproporcji stwierdzonej przez kwantową teorię pola.
Chociaż środowisko Lombrisera może rozwiązać kosmologiczny problem stały, obecnie nie ma możliwości jego przetestowania. Ale w przyszłości, jeśli eksperymenty z innych teorii potwierdzą jego równania, może to oznaczać duży skok w naszym rozumieniu ciemnej energii i stanowić narzędzie do rozwiązywania innych kosmicznych tajemnic.
