Fizycy zaproponowali nową interpretację ciemnej energii. Mogłoby to rzucić wgląd w wzajemne powiązania między kwantową teorią pola a ogólną teorią względności, jako dwoma perspektywami na wszechświat i jego elementy.

Co kryje się za ciemną energią — i co łączy ją ze stałą kosmologiczną wprowadzoną przez Alberta Einsteina? Dwóch fizyków z Uniwersytetu w Luksemburgu wskazuje drogę do odpowiedzi na te otwarte pytania fizyki.

Wszechświat ma wiele dziwacznych właściwości, które są trudne do zrozumienia w codziennym doświadczeniu. Na przykład znana nam materia, składająca się z cząstek elementarnych i złożonych budujących molekuły i materiały, najwyraźniej stanowi tylko niewielką część energii wszechświata. Największy wkład, około dwie trzecie, pochodzi z „ciemnej energii” – hipotetycznej formy energii, nad którą fizycy wciąż zastanawiają się. Co więcej, wszechświat nie tylko stale się rozszerza, ale robi to w coraz szybszym tempie.

Obie cechy wydają się być ze sobą powiązane, ponieważ ciemna energia jest również uważana za siłę napędową przyspieszonej ekspansji. Co więcej, może ponownie połączyć dwie potężne fizyczne szkoły myślenia: kwantową teorię pola i ogólną teorię względności opracowaną przez Alberta Einsteina. Ale jest pewien haczyk: obliczenia i obserwacje były jak dotąd dalekie od zgodności. Teraz dwóch badaczy z Luksemburga pokazało nowy sposób rozwiązania tej 100-letniej zagadki w artykule opublikowanym w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.

Ślad cząstek wirtualnych w próżni

„Próżnia ma energię. To fundamentalny wynik kwantowej teorii pola” – wyjaśnia prof. Alexandre Tkatchenko, profesor fizyki teoretycznej na Wydziale Fizyki i Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu w Luksemburgu. Teoria ta została opracowana w celu połączenia mechaniki kwantowej i szczególnej teorii względności, ale kwantowa teoria pola wydaje się być niezgodna z ogólną teorią względności. Jej zasadnicza cecha: w przeciwieństwie do mechaniki kwantowej teoria ta traktuje nie tylko cząstki, ale także pola wolne od materii jako obiekty kwantowe.

„W tym kontekście wielu badaczy uważa ciemną energię za wyraz tak zwanej energii próżni”, mówi Tkatchenko: wielkość fizyczna, która na żywym obrazie jest spowodowana ciągłym pojawianiem się i oddziaływaniem par cząstek i ich antycząstek — takich jak elektrony i pozytony — w tym, co w rzeczywistości jest pustą przestrzenią.

Kosmiczne mikrofalowe tło widziane przez Plancka. Źródło: ESA i współpraca Plancka

Fizycy mówią o pojawianiu się i znikaniu cząstek wirtualnych i ich pól kwantowych jako o fluktuacjach próżni lub punktu zerowego. Podczas gdy pary cząstek szybko ponownie znikają w nicość, ich istnienie pozostawia po sobie pewną ilość energii.

„Ta energia próżni ma również znaczenie w ogólnej teorii względności”, zauważa luksemburski naukowiec: „Przejawia się ona w stałej kosmologicznej, którą Einstein włączył do swoich równań z powodów fizycznych”.

Kolosalne niedopasowanie

W przeciwieństwie do energii próżni, którą można wydedukować jedynie ze wzorów kwantowej teorii pola, stałą kosmologiczną można określić bezpośrednio za pomocą eksperymentów astrofizycznych. Pomiary za pomocą teleskopu kosmicznego Hubble’a i misji kosmicznej Planck dały bliskie i wiarygodne wartości podstawowej wielkości fizycznej. Natomiast obliczenia ciemnej energii na podstawie kwantowej teorii pola dają wyniki odpowiadające wartości stałej kosmologicznej dochodzącej do 10¹²⁰ razy większa – kolosalna rozbieżność, choć w panującym dziś światopoglądzie fizyków obie wartości powinny być sobie równe. Znaleziona rozbieżność jest znana jako „zagadka stałej kosmologicznej”.

„To bez wątpienia jedna z największych niekonsekwencji we współczesnej nauce” — mówi Aleksandr Tkaczenko.

Niekonwencjonalny sposób interpretacji

Wraz ze swoim luksemburskim kolegą naukowym, dr Dmitrijem Fiodorowem, zbliżył się teraz do rozwiązania tej zagadki, która była otwarta od dziesięcioleci. W pracy teoretycznej, której wyniki niedawno opublikowali w Listy z przeglądu fizycznego, dwaj badacze z Luksemburga proponują nową interpretację ciemnej energii. Zakłada się, że fluktuacje punktu zerowego prowadzą do polaryzowalności próżni, którą można zarówno zmierzyć, jak i obliczyć.

„W parach wirtualnych cząstek o przeciwnych ładunkach elektrycznych wynika to z sił elektrodynamicznych, jakie te cząstki wywierają na siebie nawzajem podczas swojego niezwykle krótkiego istnienia” – wyjaśnia Tkatchenko. Fizycy nazywają to samooddziaływaniem próżni. „Prowadzi to do gęstości energii, którą można określić za pomocą nowego modelu”, mówi luksemburski naukowiec.

Wraz ze swoim kolegą naukowym Fiodorowem kilka lat temu opracowali podstawowy model atomów i po raz pierwszy zaprezentowali go w 2018 r. Model był pierwotnie używany do opisu właściwości atomów, w szczególności związku między polaryzowalnością atomów a właściwościami równowagi niektórych niekowalencyjnie związanych cząsteczek i ciał stałych. Ponieważ charakterystyki geometryczne są dość łatwe do zmierzenia eksperymentalnie, polaryzowalność można również określić za pomocą ich wzoru.

„Przenieśliśmy tę procedurę do procesów w próżni”, wyjaśnia Fiodorow. W tym celu obaj badacze przyjrzeli się zachowaniu pól kwantowych, w szczególności reprezentującym „przychodzenie i odchodzenie” elektronów i pozytonów. Fluktuacje tych pól można również scharakteryzować geometrią równowagi, która jest już znana z eksperymentów. „Umieściliśmy to we wzorach naszego modelu iw ten sposób ostatecznie uzyskaliśmy siłę wewnętrznej polaryzacji próżni”, mówi Fiodorow.

Ostatnim krokiem było więc obliczenie za pomocą mechaniki kwantowej gęstości energii samooddziaływania między fluktuacjami elektronów i pozytonów. Otrzymany w ten sposób wynik dobrze zgadza się ze zmierzonymi wartościami stałej kosmologicznej. Oznacza to: „Ciemną energię można prześledzić wstecz do gęstości energii samooddziaływania pól kwantowych”, podkreśla Alexandre Tkatchenko.

Spójne wartości i weryfikowalne prognozy

„Nasza praca oferuje zatem eleganckie i niekonwencjonalne podejście do rozwiązania zagadki stałej kosmologicznej” – podsumowuje fizyk. „Ponadto zapewnia sprawdzalną prognozę: mianowicie, że pola kwantowe, takie jak elektrony i pozytony, rzeczywiście mają małą, ale zawsze obecną wewnętrzną polaryzację”.

To odkrycie wskazuje drogę do przyszłych eksperymentów w celu wykrycia tej polaryzacji również w laboratorium, mówią dwaj luksemburscy naukowcy. „Naszym celem jest wyprowadzenie stałej kosmologicznej z rygorystycznego kwantowego podejścia teoretycznego” — podkreśla Dmitrij Fiodorow. „A nasza praca zawiera przepis, jak to zrealizować”.

Postrzega nowe wyniki uzyskane wspólnie z Aleksandrem Tkatchenko jako pierwszy krok w kierunku lepszego zrozumienia ciemnej energii – i jej związku ze stałą kosmologiczną Alberta Einsteina.

Wreszcie Tkatchenko jest przekonany: „Ostatecznie może to również rzucić światło na sposób, w jaki kwantowa teoria pola i ogólna teoria względności przeplatają się jako dwa sposoby patrzenia na wszechświat i jego składniki”.

Odniesienie: „Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields”, Alexandre Tkatchenko i Dmitry V. Fedorov, 24 stycznia 2023 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601