رویکردی جدید برای حل معمای انرژی تاریک

24 ژانویه 2023 -توسط Raphaël Cayrol، دانشگاه لوکزامبورگ-اعتبار: CC0 دامنه عمومی

چه چیزی در پس انرژی تاریک نهفته است – و چه چیزی آن را به ثابت کیهانی معرفی شده توسط آلبرت انیشتین متصل می کند؟ دو فیزیکدان از دانشگاه لوکزامبورگ راه را برای پاسخ به این سؤالات باز فیزیک نشان می دهند.

جهان دارای تعدادی ویژگی عجیب و غریب است که درک آنها با تجربه روزمره دشوار است. به عنوان مثال، ماده ای که ما می شناسیم، متشکل از اتم ها و مولکول ها و سایر ذرات است، ظاهراً تنها بخش کوچکی از چگالی انرژی جهان را تشکیل می دهد. بیشترین سهم، بیش از دو سوم، از «انرژی تاریک» ناشی می شود – شکلی فرضی از انرژی که فیزیکدانان پیشینه آن هنوز در حیرت هستند.

علاوه بر این، جهان نه تنها به طور پیوسته در حال انبساط است، بلکه این کار را با سرعتی سریعتر انجام می دهد. به نظر می رسد که هر دو مشخصه به هم مرتبط هستند، زیرا انرژی تاریک نیز محرک انبساط شتابان در نظر گرفته می شود. علاوه بر این، می تواند دو مکتب فکری فیزیکی قدرتمند را دوباره متحد کند: نظریه میدان کوانتومی و نظریه نسبیت عام که توسط آلبرت انیشتین توسعه یافته است. اما یک نکته وجود دارد: محاسبات و مشاهدات تا کنون از تطابق دور بوده اند. اکنون دو محقق از لوکزامبورگ در مقاله ای که توسط Physical Review Letters منتشر شده، راهی برای حل این معمای 100 ساله نشان داده اند.

دنباله ذرات مجازی در خلاء

پروفسور الکساندر تکچنکو، استاد نظری فیزیک حالت جامد در گروه فیزیک و علوم مواد در دانشگاه لوکزامبورگ توضیح می دهد: «انرژی تاریک از فرمول های نظریه میدان کوانتومی ناشی می شود. این نظریه برای گردآوری مکانیک کوانتومی و نسبیت عام که از جنبه‌های بنیادی ناسازگار هستند، ایجاد شد.

ویژگی اساسی آن: برخلاف مکانیک کوانتومی، این نظریه نه تنها ذرات، بلکه میدان های بدون ماده را نیز به عنوان اجسام کوانتومی در نظر می گیرد. تاچنکو می‌گوید: «در این چارچوب، بسیاری از محققین انرژی تاریک را به‌عنوان بیان انرژی به اصطلاح خلاء در نظر می‌گیرند.» یک کمیت فیزیکی که در یک تصویر واضح، ناشی از ظهور مداوم جفت‌های ذرات و پادذرات آن‌ها است. به عنوان الکترون و پوزیترون – در فضایی که در واقع فضای خالی است.

فیزیکدانان از آمدن و رفتن ذرات مجازی و میدان های کوانتومی آنها به عنوان نوسانات خلاء یا نقطه صفر صحبت می کنند. در حالی که جفت‌های ذره فوراً دوباره به نیستی محو می‌شوند، مقدار مشخصی انرژی از خود باقی می‌گذارند. این دانشمند لوکزامبورگ خاطرنشان می کند: «این انرژی خلاء در نسبیت عام نیز معنایی دارد. که خود را در ثابت کیهانی که اینشتین به دلایل ریاضی در معادلات خود وارد کرده است نشان می دهد.”

یک عدم تطابق عظیم

برخلاف انرژی تاریک که فقط از فرمول های نظریه میدان کوانتومی قابل استنباط است، ثابت کیهان شناسی را می توان مستقیماً با آزمایش های اخترفیزیکی تعیین کرد. اندازه گیری با تلسکوپ فضایی هابل و ماموریت فضایی پلانک مقادیر نزدیک و قابل اعتمادی را برای کمیت فیزیکی بنیادی به دست آورده است.

از سوی دیگر، محاسبات انرژی تاریک بر اساس نظریه میدان کوانتومی، نتایجی را به دست می‌دهد که با مقدار ثابت کیهانی که تا 10120 برابر بزرگ‌تر است – یک اختلاف عظیم – مطابقت دارد، اگرچه در دیدگاه جهانی فیزیکدانان رایج امروز، هر دو مقدار باید برابر باشند. اختلاف یافت شده در عوض به عنوان “معمای ثابت کیهانی” شناخته می شود. الکساندر تاچنکو می گوید: «بی شک یکی از بزرگترین ناسازگاری های علم مدرن است.

روش غیر متعارف تفسیر

او به همراه همکار پژوهشی خود در لوکزامبورگ، دکتر دیمیتری فدوروف، اکنون راه حل این معما را که برای چندین دهه گشوده بوده است، یک گام مهم نزدیکتر آورده است. این دو محقق لوکزامبورگ در یک مقاله نظری که نتایج آن به تازگی منتشر شده است، تفسیر جدیدی از انرژی تاریک ارائه کرده اند. فرض بر این است که نوسانات نقطه صفر منجر به قطبش پذیری خلاء می شود که می تواند هم اندازه گیری و هم محاسبه شود.

تاچنکو توضیح می‌دهد: «در جفت‌های مجازی ذرات با بار الکتریکی، از نیروهای الکترودینامیکی ناشی می‌شود که این ذرات در طول حیات بسیار کوتاه خود بر یکدیگر اعمال می‌کنند. فیزیکدانان از این به عنوان یک برهمکنش خود یاد می کنند، قطبش پذیری در چنین ذرات یکی از ویژگی های واکنش به آن است. این دانشمند لوکزامبورگ می گوید: «این منجر به چگالی انرژی می شود که با کمک یک مدل جدید می توان آن را تعیین کرد.

او به همراه همکار پژوهشی خود فدوروف این مدل را توسعه داد و برای اولین بار در سال 2018 ارائه کرد، که در اصل برای توصیف خواص اتمی، به عنوان مثال در جامدات استفاده می شد. از آنجایی که اندازه گیری ویژگی های هندسی به صورت تجربی بسیار آسان است، قطبش پذیری را می توان از طریق این انحرافات نیز تعیین کرد.

فدوروف گزارش می دهد: “ما آن را در فرمول های مدل خود وارد کردیم و از این طریق در نهایت قدرت قطبش خلاء را به دست آوردیم.” آخرین مرحله سپس محاسبه مکانیکی کوانتومی چگالی انرژی برهمکنش خود بین الکترون ها و پوزیترون ها بود. نتیجه به‌دست‌آمده از این طریق به خوبی با مقادیر اندازه‌گیری شده برای ثابت کیهانی مطابقت دارد:.

 الکساندر تکچنکو تأکید می‌کند: «انرژی تاریک را می‌توان به چگالی انرژی برهم‌کنش خود میدان‌های کوانتومی ردیابی کرد.

مقادیر ثابت و پیش بینی های قابل تأیید

این فیزیکدان به طور خلاصه می گوید: بنابراین کار ما یک رویکرد ظریف و غیر متعارف برای حل معمای ثابت کیهانی ارائه می دهد. علاوه بر این، یک پیش‌بینی قابل تأیید ارائه می‌کند: یعنی میدان‌های کوانتومی مانند میدان‌های الکترون‌ها و پوزیترون‌ها واقعاً دارای یک قطبش کوچک اما همیشه حاضر هستند.

این دو محقق لوکزامبورگی که اکنون می‌خواهند مدل خود را برای سایر جفت‌های ذره-پادذره به کار ببرند، می‌گویند این یافته راه را برای آزمایش‌های آینده برای تشخیص این قطبش در آزمایشگاه نیز نشان می‌دهد. الکساندر تاچنکو تأکید می کند: «ایده مفهومی ما باید در هر زمینه ای قابل اجرا باشد. او نتایج جدید به‌دست‌آمده با دیمیتری فدوروف را اولین قدم برای درک بهتر انرژی تاریک و ارتباط آن با ثابت کیهانی آلبرت انیشتین می‌داند.

تاچنکو متقاعد شده است: “در پایان، این روشی را نیز روشن می کند که در آن نظریه میدان کوانتومی و نظریه نسبیت عام به عنوان دو روش برای نگاه کردن به جهان و اجزای آن در هم تنیده شده اند.”