Υπάρχει ένα θεμελιώδες πρόβλημα στη φυσική.
Ένας μοναδικός αριθμός, που ονομάζεται κοσμολογική σταθερά, γεφυρώνει τον μικροσκοπικό κόσμο της κβαντικής μηχανικής και τον μακροσκοπικό κόσμο της θεωρίας γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά ούτε η θεωρία μπορεί να συμφωνήσει στην αξία της.
Στην πραγματικότητα, υπάρχει μια τεράστια διαφορά μεταξύ της παρατηρούμενης αξίας αυτής της σταθεράς και της θεωρίας που προβλέπει ότι θεωρείται ευρέως η χειρότερη πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής. Η επίλυση της διαφοράς μπορεί να είναι ο σημαντικότερος στόχος της θεωρητικής φυσικής αυτού του αιώνα.
Ο Lucas Lombriser, επίκουρος καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης στην Ελβετία, εισήγαγε έναν νέο τρόπο αξιολόγησης των εξισώσεων βαρύτητας του Albert Einstein για να βρει μια αξία για την κοσμολογική σταθερά που ταιριάζει απόλυτα με την παρατηρούμενη αξία. Δημοσίευσε την ηλεκτρονική του μέθοδο στο τεύχος 10 του περιοδικού Physics Letters B.
Πώς η μεγαλύτερη σφάλμα του Αϊνστάιν έγινε σκοτεινή ενέργεια
Η ιστορία της κοσμολογικής σταθεράς ξεκίνησε πριν από περισσότερο από έναν αιώνα, όταν ο Αϊνστάιν παρουσίασε ένα σύνολο εξισώσεων, γνωστών τώρα ως εξισώσεις πεδίων του Αϊνστάιν, που έγιναν το πλαίσιο της θεωρίας του γενικής σχετικότητας. Οι εξισώσεις εξηγούν πώς η ύλη και η ενέργεια στηρίζουν το ύφασμα του χώρου και του χρόνου για να δημιουργήσουν τη δύναμη της βαρύτητας. Τότε, τόσο ο Αϊνστάιν όσο και οι αστρονόμοι συμφώνησαν ότι το σύμπαν ήταν σταθερό σε μέγεθος και ότι ο συνολικός χώρος μεταξύ των γαλαξιών δεν άλλαξε. Ωστόσο, όταν ο Αϊνστάιν εφάρμοσε τη γενική σχετικότητα στο σύμπαν στο σύνολό του, η θεωρία του προέβλεψε ένα ασταθές σύμπαν που είτε θα επεκταθεί είτε θα συρρικνωθεί. Για να αναγκάσει το σύμπαν να είναι στατικό, ο Αϊνστάιν σημείωσε την κοσμολογική σταθερά.
Σχεδόν μια δεκαετία αργότερα, ένας άλλος φυσικός, ο Edwin Hubble, ανακάλυψε ότι το σύμπαν μας δεν είναι στατικό αλλά επεκτείνεται. Το φως από τους μακρινούς γαλαξίες έδειξε ότι όλα απομακρυνόταν από το ένα το άλλο. Αυτή η αποκάλυψη έπεισε τον Αϊνστάιν να εγκαταλείψει την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις του πεδίου, καθώς δεν ήταν πλέον απαραίτητο να εξηγεί κανείς ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Η φυσική μαθήματα έχει ότι ο Αϊνστάιν αργότερα ομολόγησε ότι η εισαγωγή του στην κοσμολογική σταθερά ήταν ίσως η μεγαλύτερη του σφάλμα.
Το 1998, οι παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβων έδειξαν ότι το σύμπαν δεν επεκτάθηκε μόνο, αλλά η επιτάχυνση επεκτάθηκε. Οι γαλαξίες επιταχύνθηκαν μακρυά από το ένα το άλλο σαν αν κάποια άγνωστη δύναμη ξεπέρασε τη βαρύτητα και έσπασε τους γαλαξίες αυτούς. Οι φυσικοί έχουν ονομάσει αυτό το αινιγματικό φαινόμενο σκοτεινή ενέργεια, καθώς η πραγματική της φύση παραμένει ένα μυστήριο.
Σε μια συστροφή της ειρωνείας, οι φυσικοί ξανά εισήγαγαν την κοσμολογική σταθερά στις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν για να καταλάβουν τη σκοτεινή ενέργεια. Στο τρέχον πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας, γνωστό ως ΛCDM (Lambda CDM), η κοσμολογική σταθερά είναι εναλλάξιμη με τη σκοτεινή ενέργεια. Οι αστρονόμοι εκτιμούσαν ακόμη και την αξία τους με βάση τις παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβων και τις διακυμάνσεις στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο. Αν και η τιμή είναι παράλογη μικρή (της τάξης των 10 ^ -52 ανά τετραγωνικό μέτρο), πάνω από την κλίμακα του σύμπαντος, είναι αρκετά σημαντική για να εξηγήσει την επιταχυνόμενη επέκταση του χώρου.
"Η κοσμολογική σταθερά σήμερα αποτελεί περίπου το 70% του ενεργειακού περιεχομένου του σύμπαντος μας, το οποίο μπορούμε να συμπεράνουμε από την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη επέκταση που υφίσταται σήμερα το σύμπαν μας", δήλωσε ο Lombriser. "Οι προσπάθειες να εξηγηθεί ότι έχουν αποτύχει και φαίνεται ότι υπάρχει κάτι θεμελιώδες που λείπει από το πώς κατανοούμε τον Κόσμο.Η εξάπλωση αυτού του παζλ είναι ένας από τους σημαντικότερους ερευνητικούς τομείς της σύγχρονης φυσικής.Είναι γενικά αναμενόμενο ότι η επίλυση του θέματος μπορεί να οδηγήσει μας σε μια πιο θεμελιώδη κατανόηση της φυσικής. "
Η χειρότερη θεωρητική πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής
Η κοσμολογική σταθερά θεωρείται ότι αντιπροσωπεύει αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν «ενέργεια κενού». Η θεωρία του κβαντικού πεδίου δηλώνει ότι ακόμη και σε ένα εντελώς κενό κενό του χώρου, τα εικονικά σωματίδια μπαίνουν και βγαίνουν από την ύπαρξη και δημιουργούν ενέργεια - μια φαινομενικά παράλογη ιδέα, αλλά μια που παρατηρείται πειραματικά. Το πρόβλημα προκύπτει όταν οι φυσικοί επιχειρούν να υπολογίσουν τη συμβολή τους στην κοσμολογική σταθερά. Το αποτέλεσμά τους διαφέρει από τις παρατηρήσεις ενός παράγοντα 10 ^ 121 (που είναι 10 ακολουθούμενο από 120 μηδενικά), τη μεγαλύτερη απόκλιση μεταξύ θεωρίας και πειράματος σε ολόκληρη τη φυσική.
Μια τέτοια διαφορά έχει προκαλέσει ορισμένους φυσικούς να αμφισβητήσουν τις αρχικές εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν. ορισμένοι έχουν προτείνει ακόμη εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας. Ωστόσο, περαιτέρω στοιχεία των κυμάτων βαρύτητας από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυματοειδών κυμάτων (LIGO) έχουν ενισχύσει μόνο τη γενική σχετικότητα και απέρριψαν πολλές από αυτές τις εναλλακτικές θεωρίες. Για το λόγο αυτό, αντί να επανεξετάσει τη βαρύτητα, ο Lombriser υιοθέτησε μια διαφορετική προσέγγιση για να λύσει αυτό το κοσμικό παζλ.
"Ο μηχανισμός που προτείνω δεν τροποποιεί τις εξισώσεις πεδίου του Einstein", δήλωσε ο Lombriser. Αντ 'αυτού, "προσθέτει μια επιπλέον εξίσωση στην κορυφή των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν".
Η σταθερά βαρύτητας, η οποία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στους νόμους βαρύτητας του Isaac Newton και τώρα ένα ουσιαστικό μέρος των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν, περιγράφει το μέγεθος της βαρυτικής δύναμης μεταξύ αντικειμένων. Θεωρείται μία από τις θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής, αιώνια αμετάβλητες από την αρχή του σύμπαντος. Ο Lombriser έχει κάνει τη δραματική υπόθεση ότι αυτή η σταθερά μπορεί να αλλάξει.
Στην τροποποίηση του Lombriser της γενικής σχετικότητας, η σταθερά βαρύτητας παραμένει η ίδια στο παρατηρούμενο σύμπαν μας, αλλά μπορεί να διαφέρει πέρα από αυτήν. Προτείνει ένα σενάρια πολλαπλών παραγόντων όπου μπορεί να υπάρχουν αδιαφανή κομμάτια του σύμπαντος για εμάς που έχουν διαφορετικές τιμές για τις θεμελιώδεις σταθερές.
Αυτή η μεταβολή βαρύτητας έδωσε στον Lombriser μια επιπλέον εξίσωση που συνδέει την κοσμολογική σταθερά με το μέσο άθροισμα της ύλης κατά τη διάρκεια του χωροχρόνου. Αφού αντιπροσώπευε την εκτιμώμενη μάζα όλων των γαλαξιών, των αστεριών και της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος, θα μπορούσε να λύσει αυτή τη νέα εξίσωση για να αποκτήσει μια νέα αξία για την κοσμολογική σταθερά - αυτή που συμφωνεί στενά με τις παρατηρήσεις.
Χρησιμοποιώντας μια νέα παράμετρο, ΩΛ (ωμέγα λάμδα), που εκφράζει το κλάσμα του σύμπαντος από σκοτεινή ύλη, βρήκε ότι το σύμπαν αποτελείται από περίπου 74% σκοτεινή ενέργεια. Αυτός ο αριθμός προσεγγίζει την τιμή του 68,5% που υπολογίζεται από τις παρατηρήσεις - μια τεράστια βελτίωση σε σχέση με την τεράστια ανισότητα που διαπιστώνεται από τη θεωρία των κβαντικών πεδίων.
Παρόλο που το πλαίσιο του Lombriser μπορεί να λύσει το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθερότητας, δεν υπάρχει τρόπος να το δοκιμάσουμε. Αλλά στο μέλλον, αν πειράματα από άλλες θεωρίες επικυρώσουν τις εξισώσεις του, θα μπορούσε να σημαίνει ένα σημαντικό άλμα στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και να παρέχει ένα εργαλείο για την επίλυση άλλων κοσμικών μυστηρίων.
