Fysiikassa on perustavanlaatuinen ongelma.
Yksi luku, jota kutsutaan kosmologiseksi vakiona, yhdistää kvantimekaniikan mikroskooppisen maailman ja Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian makroskooppisen maailman. Mutta kumpikaan teoria ei voi sopia sen arvosta.
Itse asiassa tämän vakion havaitun arvon ja sen teorian mukaan, jonka mukaan sitä pidetään yleisesti pahimpana ennusteena fysiikan historiassa, on niin suuri ero. Ristiriitojen ratkaiseminen voi olla teoreettisen fysiikan tärkein tavoite tällä vuosisadalla.
Lucas Lombriser, teoreettisen fysiikan apulaisprofessori Geneven yliopistossa Sveitsissä, on ottanut käyttöön uuden tavan arvioida Albert Einsteinin painoyhtälöitä löytääkseen kosmologisen vakion arvon, joka läheisesti vastaa sen havaittua arvoa. Hän julkaisi menetelmänsä verkossa Physics Letters B -lehden 10. lokakuuta ilmestyvässä lehdessä.
Kuinka Einsteinin suurimmasta virheestä tuli tumma energia
Tarina kosmologisesta vakiosta alkoi yli sata vuotta sitten, kun Einstein esitti joukon yhtälöitä, joita nykyään tunnetaan Einsteinin kenttäyhtälöinä, joista tuli hänen yleisen suhteellisuusteorian teoriansa puitteet. Yhtälöt selittävät, kuinka aine ja energia loimivat tilan ja ajan kangasta painovoiman luomiseksi. Tuolloin sekä Einstein että tähtitieteilijät olivat yhtä mieltä siitä, että maailmankaikkeuden koko oli kiinteä ja galaksien välinen kokonaistila ei muuttunut. Kuitenkin, kun Einstein sovelsi yleistä suhteellisuusteoriaa maailmankaikkeuteen kokonaisuutena, hänen teoriansa ennusti epävakaa maailmankaikkeus, joka joko laajenisi tai supistuisi. Pakottaakseen maailmankaikkeuden olemaan staattinen, Einstein tarttui kosmologiseen vakioon.
Lähes vuosikymmentä myöhemmin toinen fyysikko, Edwin Hubble, huomasi, että maailmankaikkeuksemme ei ole staattinen, vaan laajenee. Kaukaisten galaksien valo osoitti, että ne kaikki siirtyivät toisistaan. Tämä paljastus sai Einsteinin luopumaan kosmologisesta vakiosta kenttäyhtälöistään, koska laajenevaa maailmankaikkeutta ei enää tarvinnut selittää. Fysiikan tutkimuksen mukaan Einstein myöhemmin tunnusti, että hänen kosmologisen vakion käyttöönotto oli ehkä hänen suurin virhe.
Vuonna 1998 etäisten supernovien havainnot osoittivat, että maailmankaikkeus ei vain laajentunut, vaan laajentuminen nopeutui. Galaksit kiihtyivät toisistaan ikään kuin jokin tuntematon voima olisi voittanut painovoiman ja ajautuen noihin galakseihin. Fyysikot ovat nimenneet tämän arvoituksellisen ilmiön tummaksi energiaksi, koska sen todellinen luonne on edelleen mysteeri.
Raudan kierteessä fyysikot toivat jälleen kosmologisen vakion Einsteinin kenttäyhtälöihin pimeän energian huomioon ottamiseksi. Nykyisessä kosmologian standardimallissa, joka tunnetaan nimellä ΛCDM (Lambda CDM), kosmologinen vakio on korvattavissa tumman energian kanssa. Astronomit ovat jopa arvioineet sen arvon etäisten supernovien havaintojen ja kosmisen mikroaaltotaustan vaihtelun perusteella. Vaikka arvo on kohtuuttoman pieni (luokkaa 10 ^ -52 / neliömetri), maailmankaikkeuden mittakaavassa, se on riittävän merkittävä selittämään avaruuden nopeutunutta laajentumista.
"Kosmologinen vakio muodostaa tällä hetkellä noin 70% maailmankaikkeuden energiasisällöstä, minkä voimme päätellä havainnoidusta kiihtyneestä laajentumisesta, jota maailmankaikkeus on parhaillaan tekemässä. Tätä vakioita ei kuitenkaan ymmärretä", Lombriser sanoi. "Yritykset selittää sitä ovat epäonnistuneet, ja näyttää siltä, että jotain olennaista puuttuu siitä, miten ymmärrämme kosmosta. Tämän palapelin purkaminen on yksi nykyaikaisen fysiikan tärkeimmistä tutkimusalueista. On yleensä odotettavissa, että ongelman ratkaiseminen voi johtaa meille fysiikan perusteellisemmalle ymmärtämiselle. "
Pahin teoreettinen ennuste fysiikan historiassa
Kosmologisen vakion ajatellaan edustavan sitä, mitä fyysikot kutsuvat "tyhjiöenergiaksi". Kvanttikenttäteoria toteaa, että jopa täysin tyhjässä avaruuden tyhjiössä virtuaalihiukkaset pop-in ja olemassaolon ja luo energiaa - näennäisen järjetön idea, mutta idea, joka on havaittu kokeellisesti. Ongelma syntyy, kun fyysikot yrittävät laskea sen vaikutuksen kosmologiseen vakioon. Niiden tulos eroaa havainnoista mielenkiintoisella kertoimella 10 ^ 121 (eli 10, jota seuraa 120 nollaa), mikä on suurin ero teoriassa ja kokeessa koko fysiikassa.
Tällainen ero on aiheuttanut joidenkin fyysikkojen epäillä Einsteinin alkuperäisiä painovoimayhtälöitä; jotkut ovat jopa ehdottaneet vaihtoehtoisia painovoimamalleja. Laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatorion (LIGO) lisätodisteet gravitaatioaalloista ovat kuitenkin vain vahvistaneet yleistä suhteellisuutta ja hylänneet monet näistä vaihtoehtoisista teorioista. Siksi painovoiman uudelleenarvioinnin sijaan Lombriser otti toisenlaisen ratkaisun tämän kosmisen palapelin ratkaisemiseksi.
"Ehdotettu mekanismi ei muuta Einsteinin kenttäyhtälöitä", Lombriser sanoi. Sen sijaan "se lisää ylimääräisen yhtälön Einsteinin kenttäyhtälöiden päälle".
Painovoimavakio, jota käytettiin ensin Isaac Newtonin painovoimalaissa ja nyt olennainen osa Einsteinin kenttäyhtälöitä, kuvaa esineiden välisen painovoimavoiman suuruutta. Sitä pidetään yhtenä fysiikan perusvakiista, ikuisesti muuttumattomana maailmankaikkeuden alusta lähtien. Lombriser on dramaattisesti olettanut, että tämä vakio voi muuttua.
Lombriserin yleisen suhteellisuustekniikan modifikaatiossa gravitaatiovakio pysyy samana havaittavissa olevassa universumissamme, mutta voi vaihdella sen ulkopuolella. Hän ehdottaa monivaiheista skenaariota, jossa saattaa olla meille näkymättömiä maailmankaikkeuden pisteitä, joilla on erilaiset arvot perusvakiolle.
Tämä painovoiman vaihtelu antoi Lombriserille lisäyhtälön, joka suhteuttaa kosmologisen vakion aineen keskimääräiseen summaan avaruusajan välillä. Sen jälkeen kun hän oli laskenut maailmankaikkeuden galaksien, tähtien ja pimeän aineen arvioidun massan, hän pystyi ratkaisemaan uuden yhtälön saadakseen uuden arvon kosmologiselle vakiosta - sellaisen, joka on läheisesti samaa mieltä havainnoista.
Käyttämällä uutta parametria ΩΛ (omega lambda), joka ilmaisee pimeästä aineesta tehdyn maailmankaikkeuden osan, hän havaitsi, että maailmankaikkeus koostuu noin 74% tummasta energiasta. Tämä luku vastaa tarkalleen havaintojen perusteella arvioitua 68,5%: a - valtavaa parannusta kvanttikenttäteoriassa havaittuun valtavaan eroon nähden.
Vaikka Lombriserin kehys saattaa ratkaista kosmologisen jatkuvan ongelman, sitä ei tällä hetkellä ole mahdollista testata. Mutta tulevaisuudessa, jos muiden teorioiden kokeilut validoivat hänen yhtälöitä, se voi merkitä suurta harppausta ymmärryksessämme pimeästä energiasta ja tarjota työkalun muiden kosmisten mysteerien ratkaisemiseksi.
