Karanlık enerjinin arkasında ne var ve onu Albert Einstein tarafından tanıtılan kozmolojik sabite bağlayan nedir? 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 sadece istikrarlı bir şekilde genişlemekle kalmıyor, aynı zamanda bunu her zamankinden daha hızlı bir şekilde yapıyor.
Her iki özellik de bağlantılı görünüyor, çünkü karanlık enerji aynı zamanda hızlandırılmış genişlemenin itici gücü olarak kabul ediliyor. 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, dergi tarafından yayınlanan bir makalede bu 100 yıllık bilmeceyi çözmenin yeni bir yolunu gösterdi. Fiziksel İnceleme Mektupları.
Bir boşlukta 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 sadece parçacıkları değil, maddeden bağımsız alanları da kuantum nesneleri olarak kabul eder.
Tkatchenko, “Bu çerçevede, birçok araştırmacı, karanlık enerjiyi sözde vakum enerjisinin bir ifadesi olarak görüyor” diyor: canlı bir görüntüde, parçacık çiftlerinin ve bunların antiparçacıklarının sürekli olarak ortaya çıkması ve etkileşiminin neden olduğu fiziksel bir nicelik. – elektronlar ve pozitronlar gibi – aslında boş uzayda.
Fizikçiler, sanal parçacıkların ve onların kuantum alanlarının bu geliş gidişinden vakum veya sıfır noktası dalgalanmaları olarak bahseder. Parçacık çiftleri hızla tekrar hiçliğe doğru yok olurken, varlıkları belli bir miktarda enerjiyi geride bırakır.
Lüksemburglu bilim adamı, “Bu vakum enerjisinin genel görelilikte de bir anlamı var” diyor: “Einstein’ın fiziksel nedenlerle denklemlerine dahil ettiği kozmolojik sabitte kendini gösteriyor.”
Devasa bir uyumsuzluk
Yalnızca kuantum alan teorisinin formüllerinden çıkarsanabilen vakum enerjisinden farklı olarak, kozmolojik sabit doğrudan astrofiziksel deneylerle belirlenebilir. Hubble uzay teleskobu ve Planck uzay görevi ile yapılan ölçümler, temel fiziksel miktar için yakın ve güvenilir değerler vermiştir. Öte yandan, kuantum alan teorisi temelinde karanlık enerji hesaplamaları, kozmolojik sabitin 10’a kadar olan bir değerine karşılık gelen sonuçlar verir.120 kat daha büyük – muazzam bir tutarsızlık, ancak bugün hakim olan fizikçilerin dünya görüşüne göre her iki değer de eşit olmalıdır. Bunun yerine bulunan tutarsızlık, “kozmolojik sabit muamma” olarak bilinir.
Alexandre Tkatchenko, “Şüphesiz modern bilimdeki en büyük tutarsızlıklardan biridir” diyor.
Geleneksel olmayan yorumlama yöntemi
Lüksemburglu araştırma meslektaşı Dr. Dmitry Fedorov ile birlikte, on yıllardır açık olan bu bilmecenin çözümünü şimdi önemli bir adım daha yaklaştırdı. Son zamanlarda sonuçlarını yayınladıkları teorik bir çalışmada Fiziksel İnceleme Mektuplarıİki Lüksemburglu araştırmacı, karanlık enerjinin yeni bir yorumunu öneriyor. Sıfır noktası dalgalanmalarının, vakumun hem ölçülebilen hem de hesaplanabilen bir polarize edilebilirliğine yol açtığını varsayar.
Tkatchenko, “Zıt elektrik yüküne sahip sanal parçacık çiftlerinde, bu parçacıkların son derece kısa varoluşları sırasında birbirlerine uyguladıkları elektrodinamik kuvvetlerden kaynaklanır” diye açıklıyor. 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 bunu ilk kez 2018’de sundular. Model başlangıçta atomik özellikleri, özellikle de atomların polarize edilebilirliği ile denge özellikleri arasındaki ilişkiyi tanımlamak için kullanılıyordu. belirli kovalent olarak bağlı olmayan moleküllerin ve katıların. Geometrik özelliklerin deneysel olarak ölçülmesi oldukça kolay olduğundan, polarize edilebilirlik formülleri aracılığıyla da belirlenebilir.
Fedorov, “Bu prosedürü vakumdaki süreçlere aktardık” diye açıklıyor. 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.
Son adım, elektronların ve pozitronların dalgalanmaları arasındaki öz etkileşimin enerji yoğunluğunu kuantum mekaniksel olarak hesaplamaktı. 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
Fizikçi, “Çalışmamız bu nedenle kozmolojik sabit bilmecesini çözmek için zarif ve geleneksel olmayan bir yaklaşım sunuyor” diye özetliyor. “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.”
İki Lüksemburglu araştırmacı, bu bulgunun laboratuvarda da bu kutuplaşmayı tespit etmek için gelecekteki deneylerin yolunu gösterdiğini 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 bunun Albert Einstein’ın kozmolojik sabitiyle bağlantısını daha iyi anlamaya yönelik ilk adım olarak görüyor.
Son olarak 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, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601