Egy új megközelítés a sötét energia rejtélyének megoldásához

sötét energia

Kredit: CC0 Public Domain

Mi van a sötét energia mögött – és mi köti össze az Albert Einstein által bevezetett kozmológiai állandóval? A Luxemburgi Egyetem két fizikusa utat mutat a fizika e nyitott kérdéseinek megválaszolásához.

Az univerzumnak vannak olyan bizarr tulajdonságai, amelyeket a mindennapi tapasztalatokkal nehéz megérteni. Például az általunk ismert anyag, amely atomokból, molekulákból és egyéb részecskékből áll, láthatóan csak egy töredékét teszi ki az univerzum energiasűrűségének. A legnagyobb hozzájárulás, több mint kétharmad a “sötét energiából” származik – az energia egy hipotetikus formája, amelyen a háttérfizikusok még mindig nem értenek egyet.

Ráadásul az univerzum nemcsak folyamatosan tágul, hanem gyorsul is. Úgy tűnik, hogy mindkét tulajdonság összefügg, mivel a sötét energia a felgyorsult terjeszkedés mozgatórugója is. Sőt, újra egyesíthet két erős fizikai áramlatot: a kvantumtérelméletet és az Albert Einstein által kidolgozott általános relativitáselméletet. De van egy bökkenő: a számítások és a megfigyelések eddig messze nem egyeztek. Most két luxemburgi kutató mutatta meg a módját ennek a 100 éves rejtvénynek a megfejtésére egy tanulmányban. Fizikai értékelő levelek.

A virtuális részecskék nyoma vákuumban

“A sötét energia a kvantumtérelmélet képleteiből származik” – magyarázza Alexandre Tkatchenko professzor, a Luxemburgi Egyetem Fizikai és Anyagtudományi Tanszékének elméleti szilárdtestfizika professzora. Ezt az elméletet azért fejlesztették ki, hogy egyesítse a kvantummechanikát és az általános relativitáselméletet, amelyek alapvetően összeegyeztethetetlenek.

A lényeg: A kvantummechanikával ellentétben az elmélet nem csak a részecskéket, hanem az anyagtalan mezőket is kvantumobjektumnak tekinti. “Ebben az összefüggésben sok kutató úgy véli, hogy a sötét energia az úgynevezett vákuumenergia kifejeződése” – mondja Tkatchenko: egy fizikai mennyiség, amelyet élénk képen a részecskepárok és antirészecskék állandó emelkedése okoz. mint elektronok és pozitronok – amiben valójában üres tér.

A fizikusok a virtuális részecskék és kvantumtereik jövés-menéséről vákuum- vagy nullpont-ingadozásként beszélnek. Ahogy a részecskepárok azonnal eltűnnek a semmibe, bizonyos mennyiségű energiát hagynak maguk után. “Ennek a vákuumenergiának az általános relativitáselméletben is van jelentősége” – jegyzi meg a luxemburgi tudós. “Ez tükröződik abban a kozmológiai állandóban, amelyet Einstein matematikai okokból beiktatott egyenleteibe.”

Kolosszális egyenetlenség

A sötét energiával ellentétben, amely csak a kvantumtérelmélet képleteiből vezethető le, a kozmológiai állandó asztrofizikai kísérletekkel közvetlenül meghatározható. A Hubble Űrteleszkóppal és a Planck űrmisszióval végzett mérések pontos és megbízható értékeket adtak az alapvető fizikai mennyiségre vonatkozóan.

Ezzel szemben a kvantumtér elméleten alapuló sötétenergia-számítások olyan eredményeket adnak, amelyek a kozmológiai állandó legfeljebb 10-es értékének felelnek meg.120 -szer nagyobb – kolosszális eltérés – bár a fizikusok mai világképében mindkét értéknek egyenlőnek kellene lennie. Az ehelyett talált eltérést “kozmológiai állandó rejtvénynek” nevezik. “Kétségtelenül ez az egyik legnagyobb következetlenség a modern tudományban” – mondja Alexandre Tkachenko.

Nem szokványos értelmezés

Luxemburgi kutató kollégájával, Dr. Dimitry Fedorov, most egy nagy lépéssel közelebb hozta ennek az évtizedek óta nyitott rejtvénynek a megoldását. Egy elméleti tanulmányban, amelynek eredményeit a közelmúltban publikálták, a két luxemburgi kutató a sötét energia új értelmezését javasolja. Feltételezi, hogy a nullponti ingadozások a vákuum polarizálhatóságát eredményezik, ami mérhető és számítható is.

“Az elektromos töltéssel rendelkező virtuális részecskepárokat olyan elektrodinamikai erők okozzák, amelyeket ezek a részecskék egymásra gyakorolnak rendkívül rövid fennállásuk során” – magyarázza Tkatchenko. A fizikusok ezt önkölcsönhatásnak nevezik, az ilyen részecskékben való polarizálhatóság az erre adott reakció jellemzője. “Ez egy új modell segítségével meghatározható energiasűrűséghez vezet” – mondja a luxemburgi tudós.

Kutatótársával, Fedorovval közösen fejlesztette ki és 2018-ban mutatta be először ezt a modellt, amelyet eredetileg az atomi tulajdonságok leírására használtak, például szilárd testekben. Mivel a geometriai jellemzők kísérletileg meglehetősen könnyen mérhetők, a polarizálhatóság is meghatározható ezekkel az eltérítésekkel.

„Ezt az eljárást átvittük a vákuumban zajló folyamatokra” – magyarázza Fedorov. Ennek érdekében a két kutató az elektronok és pozitronok viselkedését vizsgálta, amelyeket a kvantumtérelmélet elvei szerint mezőként kezeltek. Ezeknek a mezőknek az ingadozása egy olyan egyensúlyi geometriával is jellemezhető, amelynek értéke már kísérletekből ismert.

“Beillesztettük modellünk képleteibe, és így végül megkaptuk a vákuum polarizációjának erősségét” – számol be Fedorov. Az utolsó lépés ezután az elektronok és pozitronok közötti önkölcsönhatás energiasűrűségének kvantummechanikai kiszámítása volt. Az így kapott eredmény jól egyezik a kozmológiai állandó mért értékeivel: ez azt jelenti: “A sötét energia a kvantumterek önkölcsönhatása energiasűrűségére redukálható” – mutat rá Alexandre Tkatchenko.

Konzisztens értékek és ellenőrizhető előrejelzések

“Tehát munkánk elegáns és nem mindennapi megközelítést kínál a kozmológiai állandó rejtélyének megoldásához” – összegzi a fizikus. “Sőt, ellenőrizhető előrejelzést ad: nevezetesen, hogy az olyan kvantumterek, mint például az elektronok és a pozitronok, valóban rendelkeznek kicsi, de állandóan jelenlévő polarizációval.”

Ez a megállapítás utat mutat a jövőbeli kísérletek számára, hogy ezt a polarizációt a laboratóriumban is kimutathassák – állítja a két luxemburgi kutató, akik most más részecske-antirészecske párokra szeretnék alkalmazni modelljüket. „A koncepcionális elképzelésünknek minden területen alkalmazhatónak kell lennie” – hangsúlyozza Alexandre Tkachenko. A Dimitry Fedorovval elért új eredményeket az első lépésnek tekinti a sötét energia jobb megértése felé – és annak Albert Einstein kozmológiai állandójával való kapcsolata.

Tkatchenko meg van győződve: “Végső soron ez arra is rávilágít, hogy a kvantumtér-elmélet és az általános reaktivitáselmélet hogyan fonódik össze, mivel kétféleképpen nézhető meg az univerzum és összetevői.”

Több információ:
Alexandre Tkatchenko és munkatársai, Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields, Fizikai értékelő levelek (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601

A Luxemburgi Egyetem kínálja

Idézet: A New Approach to Solving the Mystery of Dark Energy (2023, január 24.) Letöltve 2023. január 25-én a https://phys.org/news/2023-01-approach-mystery-dark-energy.html webhelyről

Ez a dokumentum szerzői jogvédelem alatt áll. A magántanulmányi vagy kutatási célú tisztességes üzletmenet kivételével írásos engedély nélkül semmi más nem reprodukálható. A tartalom kizárólag tájékoztató jellegű.

Leave a Comment

%d bloggers like this: