Fizikçiler Tuhaf Karanlık Enerji Gizemini Çözmek İçin Yeni Bir Yaklaşım Keşfettiler

Fizikçiler, karanlık enerjinin yeni bir yorumunu önerdiler. Evren ve öğelerine ilişkin iki bakış açısı olarak, kuantum alan kuramı ile genel görelilik kuramı arasındaki bağlantı hakkında fikir verebilir.

Karanlık enerjinin arkasında ne var ve onu Dünya’ya bağlayan şey nedir? Albert Einstein tarafından tanıtılan kozmolojik sabit? Lüksemburg Üniversitesi’nden iki fizikçi, fiziğin bu açık sorularını yanıtlamanın yolunu gösteriyor.

Evren, günlük deneyimle anlaşılması zor olan bir dizi tuhaf özelliğe sahiptir. Örneğin, molekülleri ve malzemeleri oluşturan temel ve bileşik parçacıklardan oluşan bildiğimiz madde, görünüşe göre evrenin enerjisinin yalnızca küçük bir bölümünü oluşturuyor. En büyük katkı, yaklaşık üçte ikisi, “karanlık enerjiden” geliyor – arka plan fizikçilerinin hala kafa karıştırdığı varsayımsal bir enerji biçimi. Dahası, evren yalnızca istikrarlı bir şekilde genişlemekle kalmıyor, aynı zamanda bunu her zamankinden daha hızlı bir şekilde yapıyor.

Kara enerji aynı zamanda hızlandırılmış genişlemenin itici gücü olarak kabul edildiğinden, her iki özellik de bağlantılı görünüyor. Dahası, iki güçlü fiziksel düşünce okulunu yeniden birleştirebilir: kuantum alan teorisi ve Albert Einstein tarafından geliştirilen genel görelilik teorisi. Ancak bir sorun var: şimdiye kadar hesaplamalar ve gözlemler eşleşmekten çok uzaktı. Şimdi, Lüksemburg’dan iki araştırmacı, Physical Review Letters dergisi tarafından yayınlanan bir makalede bu 100 yıllık bilmeceyi çözmenin yeni bir yolunu gösterdi.

Vakumda sanal parçacıkların izi

“Boşluğun enerjisi vardır. Bu, kuantum alan teorisinin temel bir sonucudur” diye açıklıyor Lüksemburg Üniversitesi Fizik ve Malzeme Bilimi Bölümü’nde Teorik Fizik Profesörü olan Prof. Alexandre Tkatchenko. Bu teori, kuantum mekaniği ile özel göreliliği bir araya getirmek için geliştirildi, ancak kuantum alan kuramı genel görelilik ile bağdaşmıyor gibi görünüyor. Temel özelliği: Kuantum mekaniğinin aksine, teori yalnızca parçacıkları değil maddeden bağımsız alanları da kuantum nesneleri olarak kabul eder.

“Bu çerçevede, birçok araştırmacı karanlık enerjiyi sözde bir ifade olarak kabul eder. vakum enerjisi,” diyor Tkatchenko: Canlı bir görüntüde, aslında boş uzayda parçacık çiftlerinin ve bunların antiparçacıklarının (elektronlar ve pozitronlar gibi) sürekli olarak ortaya çıkması ve etkileşiminin neden olduğu fiziksel bir nicelik.

{ 11}

Planck tarafından görülen kozmik mikrodalga arka planı. Kredi: ESA ve Planck İşbirliği

Fizikçiler, sanal parçacıkların ve onların kuantum alanlarının bu geliş gidişinden vakum veya sıfır noktası dalgalanmaları olarak bahseder. Parçacık çiftleri hızla tekrar hiçliğe dönüşürken, varlıkları geride belli bir miktarda enerji bırakır.

Lüksemburglu bilim adamı, “Bu vakum enerjisinin genel görelilikte de bir anlamı vardır,” diyor: “Kendisini Einstein’ın fiziksel nedenlerle denklemlerine dahil ettiği kozmolojik sabit.”

Devasa bir uyumsuzluk

Yalnızca kuantum alan teorisinin formüllerinden çıkarsanabilen vakum enerjisinden farklı olarak, kozmolojik sabit belirlenebilir doğrudan astrofiziksel deneylerle. Hubble uzay teleskobu ve Planck uzay görevi ile yapılan ölçümler, temel fiziksel miktar için yakın ve güvenilir değerler vermiştir. Öte yandan, kuantum alan teorisine dayalı karanlık enerji hesaplamaları, kozmolojik sabitin 10120 katına kadar daha büyük bir değerine karşılık gelen sonuçlar verir – bugün hakim olan fizikçilerin dünya görüşünde, her iki değer de eşit olmalıdır. Bunun yerine bulunan tutarsızlık, “kozmolojik sabit muamma” olarak bilinir.

Alexandre Tkatchenko, “Kuşkusuz modern bilimdeki en büyük tutarsızlıklardan biridir” diyor.

Alışılmadık yorumlama yöntemi{10 }

Lüksemburglu araştırma meslektaşı Dr. Dmitry Fedorov ile birlikte, on yıllardır açık olan bu bulmacanın çözümünü şimdi önemli bir adım daha yaklaştırdı. İki Lüksemburglu araştırmacı, yakın zamanda Physical Review Letters’da sonuçlarını yayınladıkları teorik bir çalışmada, karanlık enerjinin yeni bir yorumunu öneriyor. Sıfır noktası dalgalanmalarının, vakumun hem ölçülebilen hem de hesaplanabilen bir polarize edilebilirliğine yol açtığını varsayar.

“Zıt elektrik yüküne sahip sanal parçacık çiftlerinde, bu parçacıkların elektrodinamik kuvvetlerden kaynaklanır. son derece kısa varoluşları boyunca birbirlerini zorlarlar,” diye açıklıyor Tkatchenko. Fizikçiler buna vakumlu kendi kendine etkileşim diyorlar. Lüksemburglu bilim adamı, “Yeni bir modelin yardımıyla belirlenebilen bir enerji yoğunluğuna yol açıyor” diyor.

Araştırmacı meslektaşı Fedorov ile birlikte, birkaç yıl önce atomlar için temel modeli geliştirdiler ve ilk kez 2018’de sundu. Model başlangıçta atomik özellikleri, özellikle de atomların polarize edilebilirliği ile belirli kovalent olmayan bağlı moleküllerin ve katıların denge özellikleri arasındaki ilişkiyi tanımlamak için kullanıldı. Geometrik özelliklerin deneysel olarak ölçülmesi oldukça kolay olduğundan, polarize edilebilirlik formülleri aracılığıyla da belirlenebilir.

“Bu prosedürü vakumdaki işlemlere aktardık,” diye açıklıyor Fedorov. Bu amaçla, iki araştırmacı, özellikle elektronların ve pozitronların “geliş ve gidişini” temsil eden kuantum alanlarının davranışına baktı. Bu alanların dalgalanmaları, zaten deneylerden bilinen bir denge geometrisi ile de karakterize edilebilir. Fedorov, “Bunu modelimizin formüllerine ekledik ve bu şekilde nihai olarak içsel vakum polarizasyonunun gücünü elde ettik” diyor.

O zaman son adım, kendi kendine enerji yoğunluğunu kuantum mekaniksel olarak hesaplamaktı. elektronların ve pozitronların dalgalanmaları arasındaki etkileşim. Bu şekilde elde edilen sonuç, kozmolojik sabit için ölçülen değerlerle oldukça uyumludur. Bunun anlamı şudur: “Karanlık enerji, kuantum alanlarının kendi kendine etkileşiminin enerji yoğunluğuna kadar izlenebilir,” diye vurguluyor Alexandre Tkatchenko.

Tutarlı değerler ve doğrulanabilir tahminler

“Çalışmamız bu nedenle kozmolojik sabit bilmecesini çözmek için zarif ve alışılmamış bir yaklaşım,” diye özetliyor fizikçi. “Ayrıca, doğrulanabilir bir tahmin sağlıyor: yani, elektronların ve pozitronlarınki gibi kuantum alanlarının gerçekten de küçük ama her zaman var olan içsel bir polarizasyona sahip olduğu.”

Bu bulgu, gelecekteki deneylerin algılama yolunu işaret ediyor. İki Lüksemburglu araştırmacı, bu kutuplaşmanın laboratuvarda da olduğunu söylüyor. Dmitry Fedorov, “Amacımız, kozmolojik sabiti titiz bir kuantum teorik yaklaşımından elde etmektir” diye vurguluyor. “Ve çalışmamız bunun nasıl gerçekleştirileceğine dair bir tarif içeriyor.”

Alexandre Tkatchenko ile birlikte elde edilen yeni sonuçları, karanlık enerjiyi ve onun Albert Einstein’ın kozmolojik sabitiyle bağlantısını daha iyi anlamaya yönelik ilk adım olarak görüyor. .

Sonunda Tkatchenko ikna oldu: “Sonuçta bu, kuantum alan kuramı ile genel görelilik kuramının evrene ve bileşenlerine bakmanın iki yolu olarak iç içe geçtiği yola da ışık tutabilir.”

Referans: “Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields”, Alexandre Tkatchenko ve Dmitry V. Fedorov, 24 Ocak 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601