V fiziki obstaja temeljna težava.
Eno število, imenovano kozmološka konstanta, premošča mikroskopski svet kvantne mehanike in makroskopski svet Einsteinove teorije splošne relativnosti. Toda nobena teorija se ne more strinjati o njeni vrednosti.
V resnici obstaja tako veliko neskladje med opaženo vrednostjo te konstante in tistim, kar teorija napoveduje, da je splošno veljavno za najslabšo napoved v zgodovini fizike. Reševanje neskladja je morda najpomembnejši cilj teoretične fizike v tem stoletju.
Lucas Lombriser, docent za teoretično fiziko na Univerzi v Ženevi v Švici, je uvedel nov način ocenjevanja gravitacijskih enačb Alberta Einsteina, da bi našel vrednost za kozmološko konstanto, ki se tesno ujema z njegovo opaženo vrednostjo. Svojo metodo je objavil na spletu v 10. številki revije Physics Letters B.
Kako je največja napaka Einsteina postala temna energija
Zgodba o kozmološki konstanti se je začela pred več kot stoletjem, ko je Einstein predstavil niz enačb, danes znanih kot Einsteinova polja enačb, ki so postale okvir njegove teorije splošne relativnosti. Enačbe pojasnjujejo, kako materija in energija prepletata tkanino prostora in časa, da ustvarita silo gravitacije. Takrat sta se Einstein in astronomi strinjala, da je vesolje določeno v velikosti in da se celotni prostor med galaksijami ni spremenil. Ko pa je Einstein uporabil splošno relativnost za vesolje kot celoto, je njegova teorija napovedovala nestabilno vesolje, ki se bo bodisi širilo bodisi skrčilo. Da bi vesolje postalo statično, se je Einstein lotil kozmološke konstante.
Skoraj desetletje pozneje je drug fizik Edwin Hubble ugotovil, da naše vesolje ni statično, ampak se širi. Svetloba iz oddaljenih galaksij je pokazala, da se vsi oddaljijo drug od drugega. To razodetje je prepričalo Einsteina, da opusti kozmološko konstanto iz svojih poljskih enačb, saj ni bilo treba več razlagati širjenja vesolja. Po mnenju fizike je Einstein pozneje priznal, da je bila njegova uvedba kozmološke konstante morda največja napaka.
Leta 1998 so opazovanja daljnih supernov pokazala, da se vesolje ni samo širilo, ampak je pospeševanje naraščalo. Galaksije so se pospeševale drug od drugega, kot da bi kakšna neznana sila premagala gravitacijo in razbila te galaksije narazen. Fiziki so ta enigmatični pojav poimenovali temna energija, saj njegova resnična narava ostaja skrivnost.
V zvijanju ironije so fiziki ponovno vstavili kozmološko konstanto v Einsteinove poljske enačbe, da bi upoštevali temno energijo. V trenutnem standardnem modelu kozmologije, znanem kot ΛCDM (Lambda CDM), je kozmološka konstanta zamenljiva s temno energijo. Astronomi so njeno vrednost celo ocenili na podlagi opazovanj oddaljenih supernov in nihanj v kozmičnem mikrovalovnem ozadju. Čeprav je vrednost nesmiselno majhna (v vrstnem redu 10 ^ -52 na kvadratni meter), je v obsegu vesolja dovolj pomembna, da razloži pospešeno širitev prostora.
"Kozmološka konstanta trenutno predstavlja približno 70% energijske vsebnosti v našem vesolju. To je tisto, kar lahko sklepamo po opazovanem pospešenem širjenju, ki ga trenutno doživlja naše vesolje. Kljub temu pa ta konstanta ni razumljiva," je dejal Lombriser. "Poskusi, da bi to razložili, niso uspeli, in zdi se, da nam nekaj manjka pri razumevanju kozmosa. Razplet te sestavljanke je eno izmed glavnih raziskovalnih področij moderne fizike. Na splošno se pričakuje, da bo reševanje vprašanja morda vodilo nas do bolj temeljnega razumevanja fizike. "
Najslabša teoretična napoved v zgodovini fizike
Kozmološka konstanta naj bi predstavljala tisto, kar fiziki imenujejo "vakuumska energija". Teorija kvantnega polja navaja, da tudi v popolnoma praznem vakuumu prostora navidezni delci izvirajo iz in obstajajo in ustvarjajo energijo - na videz absurdno idejo, vendar takšno, ki so jo opazili eksperimentalno. Težava nastane, ko fiziki poskušajo izračunati njen prispevek k kozmološki konstanti. Njihov rezultat se od opazovanj razlikuje po premišljenem faktorju 10 ^ 121 (temu 10 sledi 120 ničel), kar je največje neskladje med teorijo in eksperimentom v vsej fiziki.
Takšna neskladnost je povzročila, da so nekateri fiziki dvomili v Einsteinove izvirne gravitacijske enačbe; nekateri so celo predlagali alternativne modele gravitacije. Vendar pa so nadaljnji dokazi gravitacijskih valov Laser Interferometer Gravitacijsko-valovni observatorij (LIGO) le še okrepili splošno relativnost in zavrnili številne od teh alternativnih teorij. Zato je Lombriser namesto da bi premislil gravitacijo, razrešil drugačen pristop k reševanju te kozmične sestavljanke.
"Mehanizem, ki ga predlagam, ne spreminja Einsteinovih poljskih enačb," je dejal Lombriser. Namesto tega "doda dodatno enačbo na vrh Einsteinovih poljskih enačb."
Gravitacijska konstanta, ki je bila prvič uporabljena v gravitacijskih zakonih Isaaca Newtona in je zdaj nujen del Einsteinovih poljskih enačb, opisuje veličino gravitacijske sile med predmeti. Velja za eno temeljnih konstant fizike, ki je od začetka vesolja večno nespremenjena. Lombriser je dramatično predpostavil, da se ta konstanta lahko spremeni.
V Lombriserjevi modifikaciji splošne relativnosti ostane gravitacijska konstanta enaka znotraj našega opazovanega vesolja, vendar se lahko razlikuje od nje. Predlaga multiverzalni scenarij, kjer so morda nevidni obliži vesolja, ki imajo različne vrednosti za osnovne konstante.
Ta sprememba gravitacije je Lombriserju dala dodatno enačbo, ki kozmološko konstanto nanaša na povprečno vsoto snovi v vesolju in času. Ko je izračunal ocenjeno maso vseh galaksij, zvezd in temne snovi vesolja, je lahko rešil to novo enačbo in dobil novo vrednost za kozmološko konstanto - tisto, ki se tesno strinja z opazovanji.
Z novim parametrom ΩΛ (omega lambda), ki izraža del vesolja iz temne snovi, je ugotovil, da je vesolje sestavljeno iz približno 74% temne energije. To število se natančno ujema z vrednostjo 68,5%, ocenjeno na podlagi opazovanj - kar je izjemno izboljšanje v primerjavi z velikimi neskladji, ki jih je pokazala kvantna teorija polja.
Čeprav bi Lombriserjev okvir lahko rešil kozmološko konstantno težavo, ga trenutno ni mogoče preizkusiti. Toda v prihodnosti, če poskusi iz drugih teorij potrdijo njegove enačbe, bi to lahko pomenilo velik preskok v našem razumevanju temne energije in zagotovilo orodje za reševanje drugih kozmičnih skrivnosti.
