Fyzici objevují nový způsob, jak vyřešit podivnou záhadu temné energie

Co stojí za temnou energií – a co ji spojuje s kosmologickou konstantou zavedenou Albertem Einsteinem? Dva fyzici z Lucemburské univerzity poukazují na způsob, jak odpovědět na tyto otevřené otázky ve fyzice.

Vesmír má řadu zvláštních vlastností, které je těžké pochopit každodenní zkušeností. Například nám známá hmota, která se skládá z elementárních a složených částic tvořených molekulami a hmotou, tvoří zřejmě jen malou část energie vesmíru. Největší příspěvek, asi dvě třetiny, pochází ztemná energie– hypotetická forma energie, z níž jsou fyzici stále zmateni. Vesmír se navíc nejen neustále rozšiřuje, ale také stále rychlejším tempem.

Zdá se, že obě vlastnosti spolu souvisí, protože temná energie Je také považován za hnací sílu zrychlené expanze. Navíc může sjednotit dva mocné fyzikální myšlenkové směry: kvantovou teorii pole a obecnou teorii relativity vyvinutou Albertem Einsteinem. Má to ale háček: účty a poznámky nejsou zdaleka totožné. Dva lucemburští vědci ukazují nový způsob, jak vyřešit tuto 100 let starou záhadu ve výzkumném článku publikovaném časopisem Fyzické kontrolní dopisy.

Efekt virtuálních částic ve vakuu

„Vakuum má energii. To je základní výsledek kvantové teorie pole,“ vysvětluje profesor Alexander Tkachenko, profesor teoretické fyziky na katedře fyziky a materiálových věd. Lucemburská univerzita. Tato teorie byla vyvinuta, aby spojila kvantovou mechaniku a speciální teorii relativity, ale kvantová teorie pole se zdá být neslučitelná s obecnou relativitou. Jeho hlavní výhoda: na rozdíl od kvantové mechaniky považuje teorie za kvantové objekty nejen částice, ale i koule bez hmoty.

„V tomto rámci mnozí výzkumníci považují temnou energii za vyjádření toho, čemu se říká vakuová energie,“ říká Tkatchenko, fyzikální veličina, která v živé formě vyplývá ze vzhledu a nepřetržité interakce párů částic a jejich antičástic – např. jako elektrony a pozitrony — v tom, co je ve skutečnosti prázdný prostor.

Fyzici mluví o příchodech a odchodech virtuálních částic a jejich kvantových polích jako o fluktuacích ve vakuu neboli nulovém bodě. Jak páry částic rychle mizí zpět do nicoty, jejich přítomnost za sebou zanechává určité množství energie.

Lucemburský vědec poznamenává, že „tato energie vakua má význam i v obecné relativitě“: „Projevuje se v kosmologické konstantě, kterou Einstein z fyzikálních důvodů zahrnul do svých rovnic.“

Obrovský nesoulad

Na rozdíl od energie vakua, kterou lze odvodit pouze z rovnic kvantové teorie pole, lze kosmologickou konstantu určit přímo astrofyzikálními experimenty. Měření pomocí Hubbleova vesmírného dalekohledu a vesmírné mise Planck poskytla blízké a spolehlivé hodnoty pro základní fyzikální veličinu. Na druhou stranu výpočty temné energie založené na kvantové teorii pole vedou k výsledkům konzistentním s hodnotou kosmologické konstanty 10¹²⁰ krát větší – kolosální rozpor, ačkoli podle dnešního převládajícího názoru fyziků by si obě hodnoty měly být rovny. Rozpor, který existuje, je místo toho známý jako „záhada kosmologické konstanty“.

„Je to bezpochyby jeden z největších rozporů v moderní vědě,“ říká Alexander Tkachenko.

Netradiční způsob výkladu

Spolu s kolegou lucemburským výzkumníkem Dr. Dmitrijem Fedorovem nyní přiblížil řešení této záhady, která byla po desetiletí otevřená, o důležitý krok blíže. V teoretické práci nedávno publikovali své výsledky v Fyzické kontrolní dopisyDva výzkumníci v Lucembursku navrhli nové vysvětlení temné energie. Předpokládá se, že kolísání nulového bodu vede k polarizaci vakua, kterou lze měřit a vypočítat.

„V párech virtuálních částic opačného elektrického náboje vznikají elektrodynamickými silami, kterými na sebe tyto částice působí během velmi krátké doby existence,“ vysvětluje Tkachenko. Fyzici to označují jako samočinné vakuum. „Vede to k hustotě energie, kterou lze určit pomocí nového modelu,“ říká vědec Luxembourg.

Spolu s výzkumným kolegou Fedorovem před několika lety vyvinuli základní model atomů a poprvé jej představili v roce 2018. Model byl původně používán k popisu atomových vlastností, zejména vztahu mezi polarizacemi atomů a rovnovážnými vlastnostmi. některých nekovalentně vázaných molekul a pevných látek. Protože je velmi snadné měřit geometrické vlastnosti experimentálně, lze polarizaci určit také jejich vzorcem.

„Převedli jsme tento postup na operace ve vakuu,“ vysvětluje Fedorov. Za tímto účelem se oba výzkumníci zabývali chováním kvantových domén, zejména reprezentací „přicházení a odcházení“ elektronů a pozitronů. Fluktuace těchto polí lze také charakterizovat rovnovážnou geometrií známou již z experimentů. „Vložili jsme to do vzorců našeho modelu a tímto způsobem jsme nakonec získali polarizační sílu vnitřní prázdnoty,“ říká Fedorov.

Posledním krokem pak bylo mechanicky vypočítat hustotu energie vlastní interakce mezi fluktuacemi elektronů a pozitronů. Takto získaný výsledek je v dobré shodě s naměřenými hodnotami kosmologické konstanty. To znamená: „Temnou energii lze vysledovat zpět k energetické hustotě vlastní interakce kvantových polí,“ tvrdí Alexander Tkachenko.

Konzistentní hodnoty a ověřitelná očekávání

„Naše práce tak nabízí elegantní a nekonvenční přístup k řešení záhady kosmologické konstanty,“ uzavírá fyzik. „Navíc poskytuje ověřitelnou předpověď: totiž, že kvantová pole, jako jsou pole elektronů a pozitronů, skutečně mají malou, ale všudypřítomnou vnitřní polarizaci.“

Toto zjištění ukazuje cestu pro budoucí experimenty k detekci této polarizace také v laboratoři, říkají dva lucemburští výzkumníci. „Naším cílem je odvodit kosmologickou konstantu z přísného přístupu kvantové teorie,“ tvrdí Dmitrij Fedorov. „A naše práce obsahuje recept, jak to realizovat.“

Nové výsledky získané s Alexandrem Tkačenkem vidí jako první krok k lepšímu pochopení temné energie – a jejího vztahu ke kosmologické konstantě Alberta Einsteina.

Nakonec je Tkatchenko přesvědčen: „V konečném důsledku to také může vrhnout světlo na způsob, jakým se kvantová teorie pole a obecná teorie relativity prolínají jako dva způsoby pohledu na vesmír a jeho součásti.“

Odkaz: „Hustota energie samočinné interakce Casimira v kvantových elektrodynamických polích“ od Alexandra Tkačenka a Dmitrije V. Fedorov, 24. ledna 2023 K dispozici zde. Fyzické kontrolní dopisy.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601