Vo fyzike je zásadný problém.
Jedno číslo, nazývané kozmologická konštanta, premosťuje mikroskopický svet kvantovej mechaniky a makroskopický svet Einsteinovej teórie všeobecnej relativity. Ani jedna teória sa však nemôže dohodnúť na jej hodnote.
V skutočnosti existuje taký obrovský rozdiel medzi pozorovanou hodnotou tejto konštanty a teóriou, ktorá predpovedá, že je všeobecne považovaná za najhoršiu predpoveď v dejinách fyziky. Riešenie tohto rozporu môže byť najdôležitejším cieľom teoretickej fyziky tohto storočia.
Lucas Lombriser, odborný asistent teoretickej fyziky na Ženevskej univerzite vo Švajčiarsku, predstavil nový spôsob hodnotenia gravitačných rovníc Alberta Einsteina s cieľom nájsť hodnotu pre kozmologickú konštantu, ktorá sa presne zhoduje s pozorovanou hodnotou. Svoju metódu publikoval online v 10. čísle časopisu Physics Letters B.
Ako Einsteinova najväčšia chyba sa stala temnou energiou
Príbeh kozmologickej konštanty sa začal pred viac ako sto rokmi, keď Einstein predstavil súbor rovníc, teraz známych ako Einsteinove polné rovnice, ktoré sa stali rámcom jeho teórie všeobecnej relativity. Rovnice vysvetľujú, ako hmota a energia deformujú štruktúru priestoru a času, aby vytvorili gravitačnú silu. V tom čase sa Einstein aj astronómovia zhodli, že vesmír bol pevne stanovený a že celkový priestor medzi galaxiami sa nezmenil. Keď však Einstein aplikoval všeobecnú relativitu na vesmír ako celok, jeho teória predpovedala nestabilný vesmír, ktorý by sa buď rozšíril, alebo zmenšil. Aby prinútil statický vesmír, Einstein sa postavil na kozmologickú konštantu.
O takmer desať rokov neskôr ďalší fyzik, Edwin Hubble, zistil, že náš vesmír nie je statický, ale rozširuje sa. Svetlo vzdialených galaxií ukázalo, že sa všetci pohybujú od seba. Toto odhalenie presvedčilo Einsteina, aby opustil kozmologickú konštantu zo svojich rovníc poľa, pretože už nebolo potrebné vysvetľovať rozširujúci sa vesmír. Podľa fyziky sa Einstein neskôr priznal, že jeho zavedenie kozmologickej konštanty bolo pravdepodobne jeho najväčšou chybou.
V roku 1998 pozorovania vzdialených supernov ukázali, že vesmír sa nielen rozširoval, ale rozširovanie sa zrýchľovalo. Galaxie sa od seba zrýchľovali, akoby nejaká neznáma sila prekonávala gravitáciu a odhadzovala tieto galaxie od seba. Fyzici pomenovali tento záhadný jav ako temnú energiu, pretože jeho skutočná podstata zostáva záhadou.
V zármutku irónie fyzici znovu zaviedli kozmologickú konštantu do Einsteinových polných rovníc, aby zodpovedali za temnú energiu. V súčasnom štandardnom modeli kozmológie, známom ako ΛCDM (Lambda CDM), je kozmologická konštanta zameniteľná s temnou energiou. Astronómovia dokonca odhadli svoju hodnotu na základe pozorovaní vzdialených supernov a výkyvov kozmického mikrovlnného pozadia. Aj keď je táto hodnota absurdne nízka (rádovo 10 ^ -52 na meter štvorcový), na stupnici vesmíru je dosť významná na vysvetlenie zrýchleného rozšírenia priestoru.
„Kozmologická konštanta v súčasnosti predstavuje asi 70% energetického obsahu v našom vesmíre, čo je možné odvodiť z pozorovaného zrýchleného rozšírenia, ktorým náš vesmír v súčasnosti prechádza. Táto konštanta však ešte nie je pochopená,“ povedal Lombriser. „Pokusy vysvetliť, že zlyhali, a zdá sa, že nám chýba niečo podstatné v tom, ako chápeme vesmír. Rozlúštenie tejto hádanky je jednou z hlavných výskumných oblastí modernej fyziky. Všeobecne sa očakáva, že vyriešenie problému môže viesť nám k základnému porozumeniu fyziky. ““
Najhoršia teoretická predpoveď v dejinách fyziky
Kozmologická konštanta predstavuje myšlienku, ktorú fyzici nazývajú „vákuovou energiou“. Kvantová teória poľa uvádza, že aj v úplne prázdnom vákuu vesmíru sa virtuálne častice objavujú a objavujú a vytvárajú energiu - zdanlivo absurdný nápad, ktorý sa však experimentálne pozoroval. Problém nastáva, keď sa fyzici snažia vypočítať svoj príspevok do kozmologickej konštanty. Ich výsledok sa líši od pozorovaní s ohromujúcim faktorom 10 ^ 121 (to je 10, po ktorom nasleduje 120 núl), čo je najväčší rozdiel medzi teóriou a experimentom v celej fyzike.
Takýto rozdiel spôsobil, že niektorí fyzici pochybovali o Einsteinových pôvodných gravitačných rovniciach; niektorí dokonca navrhli alternatívne modely gravitácie. Ďalšie dôkazy gravitačných vĺn laserového interferometra gravitačné vlnové observatórium (LIGO) však iba posilnili všeobecnú relativitu a odmietli mnohé z týchto alternatívnych teórií. Z tohto dôvodu Lombriser namiesto prehodnotenia gravitácie zvolil iný prístup k vyriešeniu tejto kozmickej hádanky.
„Mechanizmus, ktorý navrhujem, nemodifikuje Einsteinove poľné rovnice,“ povedal Lombriser. Namiesto toho „pridáva ďalšiu rovnicu k Einsteinovým poľným rovniciam“.
Gravitačná konštanta, ktorá bola prvýkrát použitá v zákonoch gravitácie Izáka Newtona a teraz nevyhnutnou súčasťou Einsteinových rovníc poľa, popisuje veľkosť gravitačnej sily medzi objektmi. Považuje sa za jednu zo základných konštánt fyziky, od začiatku vesmíru večne nezmenenú. Lombriser urobil dramatický predpoklad, že táto konštanta sa môže zmeniť.
Pri Lombriserovej úprave všeobecnej relativity zostáva gravitačná konštanta v našom pozorovateľnom vesmíre rovnaká, ale môže sa za ňou líšiť. Navrhuje viacstranný scenár, v ktorom môžu byť neviditeľné záplaty vesmíru, ktoré majú rôzne hodnoty pre základné konštanty.
Táto zmena gravitácie poskytla Lombriserovi ďalšiu rovnicu, ktorá spája kozmologickú konštantu s priemerným súčtom hmoty za časopriestor. Potom, čo sa započítal do odhadovanej hmotnosti všetkých galaxií, hviezd a temnej hmoty vo vesmíre, mohol túto novú rovnicu vyriešiť, aby získal novú hodnotu pre kozmologickú konštantu - tú, ktorá úzko súhlasí s pozorovaniami.
Použitím nového parametra ΩΛ (omega lambda), ktorý vyjadruje časť vesmíru vyrobenú z temnej hmoty, zistil, že vesmír je tvorený asi 74% temnej energie. Toto číslo úzko zodpovedá hodnote 68,5% odhadovanej z pozorovaní - obrovské zlepšenie oproti obrovským rozdielom zisteným teóriou kvantového poľa.
Aj keď rámec Lombrisera by mohol vyriešiť problém kozmologickej konštanty, v súčasnosti neexistuje spôsob, ako ho otestovať. Ale v budúcnosti, ak experimenty z iných teórií potvrdia jeho rovnice, môže to znamenať veľký skok v našom chápaní temnej energie a poskytnúť nástroj na riešenie ďalších kozmických tajomstiev.
