اقترح الفيزيائيون تفسيرًا جديدًا للطاقة المظلمة. يمكن أن يوفر هذا نظرة ثاقبة للترابط بين نظرية المجال الكمي ونظرية النسبية العامة ، كوجهين مختلفين للكون وعناصره.
ما وراء الطاقة المظلمة – وما الذي يربطها بالثابت الكوني الذي قدمه ألبرت أينشتاين؟ يوضح عالمان في الفيزياء من جامعة لوكسمبورغ طريقة للإجابة على هذه الأسئلة المفتوحة في الفيزياء.
للكون عدد من الخصائص الغريبة التي يصعب فهمها من خلال التجربة اليومية. على سبيل المثال ، المادة التي نعرفها ، المكونة من جسيمات أولية ومركبة تشكل الجزيئات والمواد ، لا تمثل على ما يبدو سوى جزء صغير من طاقة الكون. أكبر مساهمة ، حوالي الثلثين ، تأتي منالطاقة المظلمة“- شكل افتراضي للطاقة لا يزال علماء الفيزياء في الخلفية في حيرة من أمره. علاوة على ذلك ، فإن الكون لا يتوسع باستمرار فحسب ، بل يتوسع أيضًا بمعدل متزايد باستمرار.
يبدو أن السمتين مرتبطتين ، لأن الطاقة المظلمة يُنظر إليه أيضًا على أنه محرك للتوسع المتسارع. علاوة على ذلك ، يمكن أن تجمع مدرستين قويتين من الفكر المادي: نظرية المجال الكمي والنظرية النسبية العامة التي طورها ألبرت أينشتاين. لكن هناك مشكلة: الحسابات والملاحظات حتى الآن بعيدة كل البعد عن التطابق. أظهر باحثان من لوكسمبورغ طريقة جديدة لحل هذا اللغز البالغ من العمر 100 عام في مقال نشرته المجلة خطابات الفحص البدني.
أثر الجسيمات الافتراضية في الفراغ
“الفراغ به طاقة. هذه نتيجة أساسية لنظرية المجال الكمي ، “يوضح البروفيسور ألكسندر تكاتشينكو ، أستاذ الفيزياء النظرية في قسم الفيزياء وعلوم المواد في جامعة لوكسمبورغ. تم تطوير هذه النظرية لتجمع بين ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة ، لكن نظرية المجال الكمي تبدو غير متوافقة مع النسبية العامة. صفتها الأساسية: على عكس ميكانيكا الكم ، لا تنظر النظرية في الجسيمات فحسب ، بل أيضًا في المجالات التي لا تحتوي على مادة كأشياء كمومية.
يقول Tkatchenko: “في هذا الإطار ، يعتبر العديد من الباحثين أن الطاقة المظلمة هي تعبير عن ما يسمى بالطاقة الفراغية” ، وهي كمية فيزيائية ناتجة ، في صورة حية ، عن ثوابت ظهور وتفاعل لأزواج من الجسيمات وجسيماتها المضادة. . – مثل الإلكترونات والبوزيترونات – في مساحة فارغة فعليًا.
الخلفية الكونية الميكروية التي رآها بلانك. الائتمان: تعاون وكالة الفضاء الأوروبية وبلانك
يتحدث الفيزيائيون عن هذا ذهابًا وإيابًا عن الجسيمات الافتراضية وحقولها الكمومية على أنها تقلبات في الفراغ أو نقطة الصفر. نظرًا لأن أزواج الجسيمات تتلاشى بسرعة إلى العدم ، فإن وجودها يترك وراءه قدرًا معينًا من الطاقة.
“طاقة الفراغ هذه لها أيضًا أهمية في النسبية العامة” ، يلاحظ عالِم لوكسمبورغ: “إنها تتجلى في الثابت الكوني الذي أدرجه أينشتاين في معادلاته لأسباب فيزيائية.”
تحول هائل
على عكس طاقة الفراغ ، التي لا يمكن استنتاجها إلا من معادلات نظرية المجال الكمومي ، يمكن تحديد الثابت الكوني مباشرة عن طريق تجارب الفيزياء الفلكية. أعطت القياسات باستخدام تلسكوب هابل الفضائي ومهمة بلانك الفضائية قيمًا قريبة وموثوقة للكمية الفيزيائية الأساسية. من ناحية أخرى ، تعطي حسابات الطاقة المظلمة بناءً على نظرية المجال الكمومي نتائج تتوافق مع قيمة الثابت الكوني حتى 10120 أكبر من ذلك – فجوة هائلة ، على الرغم من أنه في النظرة السائدة لعلماء الفيزياء اليوم ، يجب أن تكون القيمتان متساويتين. يُعرف التناقض الموجود بدلاً من ذلك باسم “لغز الثابت الكوني”.
قال ألكسندر تكاتشينكو: “هذا بلا شك أحد أكبر التناقضات في العلم الحديث”.
طريقة غير تقليدية للتفسير
جنبا إلى جنب مع زميله البحثي من لوكسمبورغ ، الدكتور ديمتري فيدوروف ، قدم الآن الحل لهذا اللغز الذي ظل مفتوحًا منذ عقود ، خطوة واحدة أقرب إلى الحل. في عمل نظري نشروا نتائجه مؤخرًا خطابات الفحص البدنيقدم الباحثان في لوكسمبورغ تفسيرًا جديدًا للطاقة المظلمة. يفترض أن تقلبات نقطة الصفر تؤدي إلى استقطاب الفراغ ، والذي يمكن قياسه وحسابه.
يقول تكاتشينكو: “في أزواج من الجسيمات الافتراضية ذات الشحنة الكهربائية المعاكسة ، ينتج عن القوى الكهروديناميكية التي تمارسها هذه الجسيمات على بعضها البعض خلال فترة وجودها القصيرة للغاية”. يسمي الفيزيائيون هذا الفراغ بالتفاعل الذاتي. “هذا يؤدي إلى كثافة طاقة يمكن تحديدها باستخدام نموذج جديد ،” يوضح العالم لوكسمبورغ.
طوروا مع زميله البحثي فيدوروف النموذج الأساسي للذرات قبل بضع سنوات وقدموه لأول مرة في عام 2018. تم استخدام النموذج في الأصل لوصف الخصائص الذرية ، ولا سيما العلاقة بين استقطاب الذرات وخصائص التوازن . لبعض الجزيئات والمواد الصلبة غير المرتبطة تساهميًا. نظرًا لأنه من السهل جدًا قياس الخصائص الهندسية تجريبيًا ، يمكن أيضًا تحديد الاستقطاب من خلال صيغتها.
يقول فيدوروف: “لقد نقلنا هذا الإجراء إلى عمليات في فراغ”. للقيام بذلك ، نظر الباحثان في سلوك المجالات الكمومية ، التي تمثل على وجه الخصوص “ذهاب و ذهاب” الإلكترونات والبوزيترونات. يمكن أيضًا أن تتميز تقلبات هذه الحقول بهندسة توازن معروفة بالفعل تجريبيًا. يقول فيدوروف: “لقد أدخلناه في صيغ نموذجنا ، وبالتالي حصلنا أخيرًا على قوة استقطاب الفراغ الداخلي”.
ثم تمثلت الخطوة الأخيرة في حساب في ميكانيكا الكم كثافة الطاقة للتفاعل الذاتي بين تقلبات الإلكترونات والبوزيترونات. النتيجة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة تتوافق جيدًا مع القيم المقاسة للثابت الكوسمولوجي. وهذا يعني: “يمكن أن تُعزى الطاقة المظلمة إلى كثافة الطاقة للتفاعل الذاتي للحقول الكمية” ، كما يؤكد ألكسندر تكاتشينكو.
قيم ثابتة وتوقعات يمكن التحقق منها
“يقدم عملنا بالتالي نهجًا أنيقًا وغير تقليدي لحل لغز الثابت الكوني” ، يلخص الفيزيائي. “علاوة على ذلك ، فإنه يوفر تنبؤًا قابلاً للاختبار: أي أن الحقول الكمومية مثل تلك الخاصة بالإلكترونات والبوزيترونات تمتلك بالفعل استقطابًا جوهريًا صغيرًا ولكنه دائم الوجود.”
يمهد هذا الاكتشاف الطريق لتجارب مستقبلية للكشف عن هذا الاستقطاب أيضًا في المختبر ، كما يقول الباحثان في لوكسمبورغ. يؤكد ديمتري فيدوروف: “هدفنا هو اشتقاق الثابت الكوني من مقاربة نظرية كمومية صارمة”. “وعملنا يحتوي على وصفة لكيفية تحقيق ذلك”.
يرى أن النتائج الجديدة التي تم الحصول عليها مع ألكسندر تكاتشينكو هي الخطوة الأولى نحو فهم أفضل للطاقة المظلمة – وارتباطها بثابت ألبرت أينشتاين الكوني.
أخيرًا ، Tkatchenko مقتنع: “في النهاية ، يمكن أن تلقي الضوء أيضًا على كيفية تداخل نظرية المجال الكمومي ونظرية النسبية العامة كطريقتين للنظر إلى الكون ومكوناته.”
المرجع: “كثافة طاقة التفاعل الذاتي لـ Casimir في الحقول الكهروديناميكية الكمية” بقلم ألكسندر تكاتشينكو وديمتري فيدوروف ، 24 يناير 2023 ، خطابات الفحص البدني.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.041601
