Füüsikas on põhiprobleem.
Üksikarv, mida nimetatakse kosmoloogiliseks konstandiks, sillab kvantmehaanika mikroskoopilise maailma ja Einsteini üldrelatiivsusteooria makroskoopilise maailma. Kuid kumbki teooria ei suuda selle väärtuses kokku leppida.
Tegelikult on selle konstandi täheldatud väärtuse ja selle teooria vahel ennustatava väärtuse vahel nii suur erinevus, et seda peetakse füüsika ajaloo kõige halvemaks ennustamiseks. Erinevuste lahendamine võib olla sellel sajandil teoreetilise füüsika kõige olulisem eesmärk.
Šveitsi Genfi ülikooli teoreetilise füüsika abiprofessor Lucas Lombriser on võtnud kasutusele uue meetodi Albert Einsteini gravitatsioonivõrrandite hindamiseks, et leida kosmoloogilise konstandi väärtus, mis lähedaselt vastaks selle täheldatud väärtusele. Ta avaldas oma meetodi veebis ajakirja Physics Letters B 10. oktoobri numbris.
Kuidas Einsteini suurim viga sai tumedat energiat
Kosmoloogilise konstandi lugu sai alguse enam kui sajand tagasi, kui Einstein esitas võrrandikomplekti, mida nüüd tuntakse Einsteini väljavõrranditena, millest sai tema üldrelatiivsusteooria raamistik. Võrrandid selgitavad, kuidas mateeria ja energia väänavad ruumi ja aja kangast, et tekitada gravitatsioonijõud. Sel ajal nõustusid nii Einstein kui ka astronoomid, et universum oli fikseeritud ja galaktikate vaheline üldine ruum ei muutunud. Kui Einstein rakendas üldrelatiivsust universumi kui terviku suhtes, ennustas tema teooria aga ebastabiilset universumit, mis kas laieneb või kahaneb. Universumi staatilisuse sundimiseks raputas Einstein kosmoloogilise konstandi.
Ligi kümme aastat hiljem avastas teine füüsik Edwin Hubble, et meie universum ei ole staatiline, vaid laieneb. Kaugus kaugetest galaktikatest näitas, et nad kõik eemalduvad üksteisest. See ilmutus veenis Einsteini loobuma kosmoloogilisest konstandist oma väljavõrranditest, kuna laieneva universumi selgitamine polnud enam vajalik. Füüsikaõpetuse järgi tunnistas Einstein hiljem, et tema kosmoloogilise konstandi juurutamine oli võib-olla tema suurim häda.
1998. aastal näitasid kaugete supernoovade vaatlused, et universum ei laiene vaid laieneb, vaid kiireneb. Galaktikad kiirendasid üksteisest eemaldumist, justkui mingi tundmatu jõud ületaks raskuse ja ajaks need galaktikad laiali. Füüsikud on seda mõistatuslikku nähtust nimetanud tumedaks energiaks, kuna selle tegelik olemus jääb saladuseks.
Iroonia keerises tõid füüsikud taas kosmoloogilise konstandi Einsteini väljavõrranditesse tumeda energia arvestamiseks. Praeguses kosmoloogia standardmudelis, mida nimetatakse ΛCDM (Lambda CDM), on kosmoloogiline konstant vahetatav tumeda energiaga. Astronoomid on selle väärtuse isegi hinnanud kaugete supernoovade vaatluste ja kosmilise mikrolaine fooni kõikumiste põhjal. Ehkki väärtus on absurdselt väike (suurusjärgus 10 ^ -52 ruutmeetri kohta), on see universumi skaala ulatuses piisavalt oluline, et selgitada kosmose kiirenenud laienemist.
"Kosmoloogiline konstant moodustab praegu umbes 70% meie universumi energiasisaldusest - just seda võime järeldada meie universumi praegu toimuva kiirendatud laienemise põhjal. Ometi ei saa sellest konstandist aru," ütles Lombriser. "Selle seletamise katsed on ebaõnnestunud ja näib, et kosmosest aru saamisel on midagi fundamentaalset, mis meil puudu jääb. Selle mõistatuse lahti harutamine on tänapäevase füüsika üks peamisi uurimisvaldkondi. Üldiselt eeldatakse, et probleemi lahendamine võib viia meid füüsika fundamentaalsema mõistmise juurde. "
Halvim teoreetiline ennustus füüsika ajaloos
Arvatakse, et kosmoloogiline konstant esindab seda, mida füüsikud nimetavad "vaakumenergiaks". Kvantväljavälja teooria väidab, et isegi täiesti tühjas ruumivaakumis hüppavad virtuaalsed osakesed olemasolust sisse ja välja ning loovad energiat - näiliselt absurdne idee, kuid see, mida on katseliselt täheldatud. Probleem tekib siis, kui füüsikud üritavad arvutada selle panust kosmoloogilisse konstandisse. Nende tulemus erineb vaatlustest mõtlemapaneva teguriga 10 ^ 121 (see on 10, millele järgneb 120 nulli), mis on suurim füüsikaliste erinevuste teooria ja katse vahel.
Selline erinevus on pannud mõned füüsikud kahtlema Einsteini esialgsetes gravitatsioonivõrrandites; mõned on isegi soovitanud alternatiivseid raskusjõumudeleid. Laserinterferomeetri gravitatsiooniliste lainete vaatluskeskuse (LIGO) täiendavad tõendid gravitatsiooniliste lainete kohta on siiski ainult üldist relatiivsusteavet tugevdanud ja paljud neist alternatiivsetest teooriatest kõrvale jätnud. Sellepärast otsustas Lombriser gravitatsiooni ümbermõtestamise asemel selle kosmilise mõistatuse lahendamiseks teistsuguse lähenemisviisi kasutada.
"Minu pakutud mehhanism ei muuda Einsteini väljavõrrandit," ütles Lombriser. Selle asemel "lisab see Einsteini väljavõrrandite peale täiendava võrrandi".
Gravitatsioonikonstant, mida kasutati kõigepealt Isaac Newtoni gravitatsiooniseaduses ja mis on nüüd Einsteini väljavõrrandite oluline osa, kirjeldab gravitatsioonijõu suurust objektide vahel. Seda peetakse üheks füüsika põhikonstandiks, mis on universumi algusest peale igavesti muutunud. Lombriser on teinud dramaatilise oletuse, et see konstant võib muutuda.
Lombriseri üldrelatiivsusteooria modifikatsioonis jääb gravitatsioonikonstant meie vaadeldavas universumis samaks, kuid võib sellest erineda. Ta soovitab mitmetahulist stsenaariumi, kus võivad olla meile nähtamatud universumi laigud, millel on põhikonstantide erinevad väärtused.
See raskusjõu variatsioon andis Lombriserile täiendava võrrandi, mis seob kosmoloogilise konstandi aine keskmise summaga ruumis kogu aeg. Pärast seda, kui ta oli arvestanud kõigi galaktikate, tähtede ja universumi tumeda aine hinnangulise massiga, sai ta selle uue võrrandi lahendada, et saada kosmoloogilise konstandi jaoks uus väärtus - see, mis on tähelepanekutega täpselt nõus.
Kasutades uut parameetrit ΩΛ (omega lambda), mis väljendab tumedast ainest koosnevat universumi osa, leidis ta, et universum koosneb umbes 74% tumedast energiast. See arv ühtib vaatlustega hinnatud 68,5% väärtusega - see on tohutu paranemine võrreldes kvantvälja teooriaga leitud tohutu erinevusega.
Ehkki Lombriseri raamistik võib lahendada kosmoloogilise püsiva probleemi, pole seda praegu võimalik testida. Kuid tulevikus, kui teiste teooriate eksperimendid valideerivad tema võrrandid, võib see tähendada olulist hüpet meie arusaamises tumedast energiast ja pakkuda tööriista muude kosmiliste müsteeriumide lahendamiseks.
