Fizikā ir pamatproblēma.
Viens skaitlis, ko sauc par kosmoloģisko konstanti, saista kvantu mehānikas mikroskopisko pasauli un Einšteina vispārējās relativitātes teorijas makroskopisko pasauli. Bet neviena teorija nevar vienoties par tās vērtību.
Faktiski pastāv tik milzīga neatbilstība starp novēroto šīs konstantes vērtību un to, kāda teorija paredz, ka to plaši uzskata par vissliktāko prognozi fizikas vēsturē. Neatbilstības novēršana varētu būt vissvarīgākais teorētiskās fizikas mērķis šajā gadsimtā.
Ženēvas Universitātes Šveicē teorētiskās fizikas asistents Lucas Lombrisers ir ieviesis jaunu veidu, kā novērtēt Alberta Einšteina smaguma vienādojumus, lai atrastu kosmoloģiskās konstantes vērtību, kas precīzi atbilst tās novērotajai vērtībai. Viņš savu metodi tiešsaistē publicēja žurnāla Physics Letters B 10. oktobra numurā.
Kā Einšteina lielākā kļūda kļuva par tumšo enerģiju
Stāsts par kosmoloģisko konstanti aizsākās vairāk nekā pirms gadsimta, kad Einšteins iepazīstināja ar vienādojumu kopumu, ko tagad sauc par Einšteina lauka vienādojumiem, un tas kļuva par viņa vispārējās relativitātes teorijas pamatu. Vienādojumi izskaidro, kā matērija un enerģija deformē telpas un laika audumu, lai radītu gravitācijas spēku. Tajā laikā gan Einšteins, gan astronomi bija vienisprātis, ka Visums ir fiksēts lielumā un kopējā telpa starp galaktikām nemainās. Tomēr, kad Einšteins vispārējo relativitāti attiecināja uz Visumu kopumā, viņa teorija paredzēja nestabilu Visumu, kas vai nu paplašināsies, vai arī samazināsies. Lai piespiestu Visumu būt statiskam, Einšteins pieskārās kosmoloģiskajai konstantei.
Gandrīz desmit gadus vēlāk cits fiziķis Edvīns Habls atklāja, ka mūsu Visums nav statisks, bet gan paplašinās. Gaisma no tālām galaktikām parādīja, ka viņi visi attālinājās viens no otra. Šī atklāsme pārliecināja Einšteinu atteikties no kosmoloģiskās konstantes no sava lauka vienādojumiem, jo vairs nevajadzēja izskaidrot paplašināmo Visumu. Fizikas mācībā ir tā, ka Einšteins vēlāk atzina, ka viņa ieviestā kosmoloģiskā konstante, iespējams, ir viņa lielākā kļūda.
1998. gadā tālu supernovu novērojumi parādīja, ka Visums ne tikai paplašinās, bet arī paātrinājās. Galaktikas paātrinājās viena no otras, it kā kāds nezināms spēks pārvarētu gravitāciju un šķetinātu šīs galaktikas. Fiziķi šo mīklaino parādību ir nosaukuši par tumšo enerģiju, jo tās patiesā daba joprojām ir noslēpums.
Raudājot, fiziķi atkal ieviesa kosmoloģisko konstanti Einšteina lauka vienādojumos, lai ņemtu vērā tumšo enerģiju. Pašreizējā kosmoloģijas standarta modelī, kas pazīstams kā ΛCDM (Lambda CDM), kosmoloģiskā konstante ir aizstājama ar tumšo enerģiju. Astronomi pat ir novērtējuši tā vērtību, pamatojoties uz tālu supernovu novērojumiem un kosmiskā mikroviļņu fona svārstībām. Lai gan šī vērtība ir absurdi maza (apmēram 10 ^ -52 uz kvadrātmetru), Visuma mērogā tā ir pietiekami nozīmīga, lai izskaidrotu paātrinātu telpas paplašināšanos.
"Kosmoloģiskā konstante šobrīd veido apmēram 70% no enerģijas satura mūsu Visumā, un to mēs varam secināt no novērotās paātrinātās ekspansijas, kāda šobrīd notiek mūsu Visumā. Tomēr šī konstante nav saprotama," sacīja Lombrisers. "Mēģinājumi to izskaidrot nav izdevušies, un šķiet, ka kaut kas būtisks mums pietrūkst, lai izprastu kosmosu. Šīs mīklas atšķetināšana ir viena no galvenajām mūsdienu fizikas pētniecības jomām. Parasti tiek paredzēts, ka problēmas atrisināšana var izraisīt mūs uz fundamentālāku fizikas izpratni. "
Sliktākais teorētiskais pareģojums fizikas vēsturē
Tiek uzskatīts, ka kosmoloģiskā konstante atspoguļo to, ko fiziķi sauc par "vakuuma enerģiju". Kvantu lauka teorija apgalvo, ka pat pilnīgi tukšā kosmosa vakuumā virtuālās daļiņas izlec un iziet no eksistences un rada enerģiju - šķietami absurda ideja, bet tāda, kas novērota eksperimentāli. Problēma rodas, kad fiziķi mēģina aprēķināt tā ieguldījumu kosmoloģiskajā konstanti. Viņu rezultāts no novērojumiem atšķiras ar prātojošo faktoru 10 ^ 121 (tas ir 10, kam seko 120 nulles), kas ir vislielākā neatbilstība starp teoriju un eksperimentu visā fizikā.
Šāda atšķirība dažiem fiziķiem ir likusi apšaubīt Einšteina sākotnējos smaguma vienādojumus; daži pat ir ierosinājuši alternatīvus gravitācijas modeļus. Tomēr papildu pierādījumi par gravitācijas viļņiem, ko veikusi lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorija (LIGO), ir tikai stiprinājuši vispārējo relativitāti un noraidījuši daudzas no šīm alternatīvajām teorijām. Tāpēc Lombrisers tā vietā, lai pārdomātu smagumu, izvēlējās citu pieeju šīs kosmiskās mīklas risināšanai.
"Mehānisms, kuru es piedāvāju, nemaina Einšteina lauka vienādojumus," sacīja Lombersers. Tā vietā "tas pievieno papildu vienādojumu virs Einšteina lauka vienādojumiem".
Gravitācijas konstante, kas vispirms tika izmantota Īzaka Ņūtona gravitācijas likumos un tagad ir būtiska Einšteina lauka vienādojumu sastāvdaļa, raksturo gravitācijas spēka lielumu starp objektiem. To uzskata par vienu no fizikas pamatkonstantām, kas mūžīgi nemainās kopš Visuma sākuma. Lombrisers ir izdarījis dramatisku pieņēmumu, ka šī konstante var mainīties.
Lombrisera modifikācijā par vispārējo relativitāti gravitācijas konstante paliek nemainīga mūsu novērojamajā Visumā, bet var atšķirties arī ārpus tā. Viņš ierosina daudzpusīgu scenāriju, kurā var būt mums neredzami Visuma plankumi, kuriem ir atšķirīgas pamatkonstanšu vērtības.
Šīs gravitācijas variācijas deva Lombriserim papildu vienādojumu, kas kosmoloģisko konstanti saista ar vidējo matērijas summu visā telpas laikā. Pēc tam, kad viņš būs aprēķinājis visu galaktiku, zvaigžņu un Visuma tumšās vielas aptuveno masu, viņš varētu atrisināt šo jauno vienādojumu, lai iegūtu jaunu kosmoloģiskās konstantes vērtību - tādu, kas precīzi sakrīt ar novērojumiem.
Izmantojot jaunu parametru ΩΛ (omega lambda), kas izsaka no tumšās matērijas veidoto Visuma daļu, viņš secināja, ka Visumu veido apmēram 74% tumšās enerģijas. Šis skaitlis precīzi atbilst vērtībai 68,5%, kas aprēķināta pēc novērojumiem - milzīgs uzlabojums salīdzinājumā ar milzīgajām atšķirībām, kuras atklājusi kvantu lauka teorija.
Lai gan Lombrisera sistēma varētu atrisināt pastāvīgo kosmoloģisko problēmu, pagaidām nav iespējas to pārbaudīt. Bet nākotnē, ja eksperimenti no citām teorijām apstiprinās viņa vienādojumus, tas varētu nozīmēt lielu lēcienu mūsu izpratnē par tumšo enerģiju un sniegt rīku citu kosmisko noslēpumu risināšanai.
