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 atomów, cząsteczek i innych cząstek, najwyraźniej stanowi tylko niewielką część gęstości energii we wszechświecie. Największy wkład, ponad dwie trzecie, pochodzi z „ciemnej energii” – hipotetycznej formy energii, nad którą fizycy wciąż się zastanawiają.

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 sposób rozwiązania tej 100-letniej zagadki w artykule opublikowanym przez Listy z przeglądu fizycznego.

Ślad cząstek wirtualnych w próżni

„Ciemna energia wynika ze wzorów kwantowej teorii pola”, wyjaśnia prof. Alexandre Tkatchenko, profesor teoretycznej fizyki ciała stałego na Wydziale Fizyki i Nauk o Materiałach Uniwersytetu w Luksemburgu. Teoria ta została opracowana w celu połączenia mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, które są nie do pogodzenia w podstawowych aspektach.

Jej zasadnicza cecha: w przeciwieństwie do mechaniki kwantowej, teoria ta traktuje nie tylko cząstki, ale także pola bezmaterialne 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 par cząstek i ich antycząstek – takich jak jako elektrony i pozytony – w tym, co w rzeczywistości jest pustą przestrzenią.

Fizycy mówią o pojawianiu się i znikaniu cząstek wirtualnych i ich pól kwantowych jako o fluktuacjach próżni lub punktu zerowego. Podczas gdy pary cząstek natychmiast ponownie znikają w nicość, pozostawiają po sobie pewną ilość energii. „Ta energia próżni ma również znaczenie w ogólnej teorii względności” – zauważa luksemburski naukowiec. „Przejawia się to w stałej kosmologicznej, którą Einstein wstawił do swoich równań z powodów matematycznych”.

Kolosalne niedopasowanie

W przeciwieństwie do ciemnej energii, 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. Zamiast tego 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 Dimitrijem Fiodorowem, przybliżył teraz rozwiązanie tej zagadki, która była otwarta od dziesięcioleci, o krok do przodu. W artykule teoretycznym, którego wyniki niedawno opublikowali, 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 wirtualnych parach cząstek z ładunkiem elektrycznym wynika to z sił elektrodynamicznych, które te cząstki wywierają na siebie nawzajem podczas ich niezwykle krótkiego istnienia” – wyjaśnia Tkatchenko. Fizycy nazywają to samooddziaływaniem, a polaryzowalność w takich cząstkach cechą reakcji na nią. „Prowadzi to do gęstości energii, którą można określić za pomocą nowego modelu” – mówi luksemburski naukowiec.

Wraz ze swoim kolegą naukowym Fiodorowem opracował ten model i po raz pierwszy zaprezentował go w 2018 roku, pierwotnie używany do opisywania właściwości atomowych, na przykład w ciałach stałych. Ponieważ charakterystyki geometryczne są dość łatwe do zmierzenia eksperymentalnie, polaryzowalność można również określić za pomocą tych odchyleń.

„Przenieśliśmy tę procedurę do procesów w próżni”, wyjaśnia Fiodorow. W tym celu obaj badacze przyjrzeli się zachowaniu elektronów i pozytonów, które traktowali jako pola zgodnie z zasadami kwantowej teorii pola. Fluktuacje tych pól można również scharakteryzować geometrią równowagi, której wartość jest już znana z eksperymentów.

„Umieściliśmy go we wzorach naszego modelu iw ten sposób ostatecznie uzyskaliśmy siłę polaryzacji próżni” – relacjonuje Fiodorow. Ostatnim krokiem było zatem obliczenie za pomocą mechaniki kwantowej gęstości energii samooddziaływania między elektronami i pozytonami. Uzyskany 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 Aleksandr Tkatchenko.

Spójne wartości i weryfikowalne prognozy

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

To odkrycie wskazuje drogę do przyszłych eksperymentów w celu wykrycia tej polaryzacji również w laboratorium, mówią dwaj luksemburscy naukowcy, którzy teraz chcą zastosować swój model do innych par cząstka-antycząstka. „Nasza koncepcja koncepcyjna powinna mieć zastosowanie w każdej dziedzinie” — podkreśla Alexandre Tkatchenko. Nowe wyniki uzyskane wspólnie z Dimitrijem Fiodorowem postrzega jako pierwszy krok w kierunku lepszego zrozumienia ciemnej energii – i jej związku ze stałą kosmologiczną Alberta Einsteina.

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