Ett nytt tillvägagångssätt för att lösa mysteriet med mörk energi

mörk energi

Kredit: allmän egendom CC0

Vad ligger bakom mörk energi och vad kopplar den till den kosmologiska konstanten som introducerades av Albert Einstein? Två fysiker från universitetet i Luxemburg visar vägen för att svara på dessa öppna frågor om fysiken.

Universum har ett antal bisarra egenskaper som är svåra att förstå med vardagsupplevelse. Till exempel, den materia vi känner till, som består av atomer, molekyler och andra partiklar, representerar tydligen bara en liten del av universums energitäthet. Det största bidraget, mer än två tredjedelar, kommer från “mörk energi“- en hypotetisk form av energi som bakgrundsfysiker fortfarande är förbryllade över.

Dessutom expanderar universum inte bara ständigt, utan också i en allt snabbare takt. De två egenskaperna verkar vara relaterade, eftersom mörk energi också anses vara en motor för accelererad expansion. Dessutom skulle det kunna föra samman två kraftfulla fysiska tankeskolor: kvantfältteori och den allmän relativitetsteori utvecklad av Albert Einstein. Men det finns en hake: beräkningarna och observationerna hittills är långt ifrån matchande. Två luxemburgska forskare har visat hur man löser denna 100 år gamla gåta i en artikel publicerad av Fysiska undersökningsbrev.

Spåret av virtuella partiklar i vakuumet

“Mörk energi härrör från formlerna för kvantfältteorin”, förklarar professor Alexandre Tkatchenko, professor i teoretisk fasta tillståndsfysik vid institutionen för fysik och materialvetenskap vid universitetet i Luxemburg. Denna teori utvecklades för att föra samman Kvantmekanik och allmän relativitet, som är oförenliga i grundläggande aspekter.

Dess väsentliga egenskap: till skillnad från kvantmekaniken betraktar teorin inte bara partiklar utan även fält utan materia som kvantobjekt. “Inom detta ramverk anser många forskare att mörk energi är ett uttryck för så kallad vakuumenergi”, säger Tkatchenko: en fysisk storhet som, i en levande bild, orsakas av ett ständigt uppträdande av par av partiklar och deras antipartiklar, som t.ex. som elektroner och positroner – i det som faktiskt är tomt utrymme.

Fysiker talar om detta fram och tillbaka av virtuella partiklar och deras kvantfält som vakuum eller nollpunktsfluktuationer. Eftersom partikelparen omedelbart försvinner till ingenting, lämnar de efter sig en viss mängd energi. “Denna vakuumenergi har också betydelse allmän relativitetsteori“, konstaterar den luxemburgska forskaren. “Detta visar sig i den kosmologiska konstant som Einstein infogade i sina ekvationer av matematiska skäl.”

Ett kolossalt skifte

Till skillnad från mörk energi, som bara kan härledas från kvantfältteorins formler, kan den kosmologiska konstanten bestämmas direkt genom astrofysiska experiment. Mätningar med rymdteleskopet Hubble och rymduppdraget Planck har gett nära och tillförlitliga värden för den grundläggande fysiska storheten.

Mörkenergiberäkningar baserade på kvantfältteori ger å andra sidan resultat som motsvarar ett värde på den kosmologiska konstanten på upp till 10120 gånger så stor – en kolossal klyfta – även om i dagens världsbild av fysiker, borde de två värdena vara lika. Den diskrepans som i stället hittas är känd som det “kosmologiska konstantpusslet”. “Detta är utan tvekan en av de största inkonsekvenserna i modern vetenskap”, sa Alexander Tkatchenko.

Okonventionellt tolkningssätt

Tillsammans med sin forskarkollega från Luxemburg, Dr Dimitry Fedorov, har han nu kommit med lösningen på detta pussel som har varit öppet i decennier, ytterligare ett viktigt steg. I en teoretisk artikel vars resultat de nyligen publicerade föreslår de två luxemburgska forskarna en ny tolkning av mörk energi. Den antar att nollpunktsfluktuationer leder till en vakuumpolariserbarhet, som kan både mätas och beräknas.

“I virtuella par av partiklar med en elektrisk laddningdet härrör från de elektrodynamiska krafter som dessa partiklar utövar på varandra under sin extremt korta existens, säger Tkatchenko. Fysiker kallar detta en självinteraktion, varvid dessa partiklars polariserbarhet är ett kännetecken för reaktionen. vid en energitäthet som kan bestämmas med en ny modell”, förklarar den luxemburgska forskaren.

Tillsammans med sin forskarkollega Fedorov utvecklade han denna modell och presenterade den för första gången 2018, som ursprungligen användes för att beskriva atomära egenskaper, till exempel i fasta ämnen. Eftersom de geometriska egenskaperna är ganska lätta att mäta experimentellt kan polariserbarheten även bestämmas via dessa härledningar.

“Vi överförde denna procedur till processer i ett vakuum”, säger Fedorov. För att göra detta tittade de två forskarna på beteendet hos elektroner och positroner, som de behandlade som fält enligt principerna för kvantfältteorin. Dessa fälts fluktuationer kan också karakteriseras av en jämviktsgeometri vars värde redan är känt experimentellt.

“Vi infogade den i formlerna för vår modell och fick på så sätt slutligen kraften av vakuumpolarisering”, rapporterar Fedorov. Det sista steget bestod sedan i att i kvantmekanik beräkna energitätheten för självinteraktionen mellan elektronerna och positronerna. Det sålunda erhållna resultatet överensstämmer väl med de uppmätta värdena för den kosmologiska konstanten: detta betyder: “Mörk energi kan tillskrivas energitätheten i kvantfältens självinteraktion”, understryker Alexandre Tkatchenko.

Konstanta värden och verifierbara prognoser

“Vårt arbete erbjuder alltså ett elegant och okonventionellt tillvägagångssätt för att lösa gåtan med den kosmologiska konstanten”, sammanfattar fysikern. “Dessutom ger det en testbar förutsägelse: nämligen att kvantfält som de av elektroner och positroner verkligen har en liten men ständigt närvarande bias.”

Denna upptäckt banar väg för framtida experiment för att upptäcka denna polarisering även i laboratoriet, förklarar de två luxemburgska forskarna, som nu vill tillämpa sin modell på andra partikel-antipartikelpar. “Vår konceptuella idé måste kunna appliceras på vilket område som helst”, understryker Alexandre Tkatchenko. Han betraktar de nya resultaten som erhållits med Dimitry Fedorov som det första steget mot en bättre förståelse av mörk energi och dess samband med Albert Einsteins energi. kosmologisk konstant.

Tkatchenko är övertygad: “I slutändan kommer det också att belysa hur kvantfältteori och allmän reaktivitetsteori är sammanflätade som två sätt att se på universum och dess komponenter.”

Mer information:
Alexandre Tkatchenko et al, Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields, Fysiska undersökningsbrev (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601

Tillhandahålls av
Luxemburgs universitet


Citat: A New Approach to Solving the Mystery of Dark Energy (24 januari 2023) Hämtad 25 januari 2023 från https://phys.org/news/2023-01-approach-mystery-dark-energy.html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Utom för skäligt bruk för privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast för information.

Leave a Comment