|
Новый подход к разгадке тайны темной энергии
|
|
|
|
Что стоит за темной энергией и что связывает ее с космологической постоянной, введенной Альбертом Эйнштейном? Два физика из Люксембургского университета указывают путь к ответам на эти открытые вопросы физики. Вселенная обладает рядом причудливых свойств, которые трудно понять с помощью повседневного опыта. Например, известная нам материя, состоящая из атомов, молекул и других частиц, по-видимому, составляет лишь малую часть плотности энергии Вселенной. Самый большой вклад, более двух третей, исходит от «темной энергии» — гипотетической формы энергии, над которой физики все еще ломают голову.
|
|
|
|
Более того, Вселенная не только неуклонно расширяется, но и делает это все более быстрыми темпами. Обе характеристики кажутся связанными, потому что темная энергия также считается движущей силой ускоренного расширения. Более того, она могла бы воссоединить две мощные физические школы мысли: квантовую теорию поля и общую теорию относительности, разработанную Альбертом Эйнштейном. Но есть одна загвоздка: расчеты и наблюдения пока далеки от совпадения. Теперь два исследователя из Люксембурга показали способ решения этой 100-летней загадки в статье, опубликованной Physical Review Letters.
|
|
|
«Темная энергия возникает из формул квантовой теории поля», — объясняет Александр Ткатченко, профессор теоретической физики твердого тела факультета физики и материаловедения Люксембургского университета. Эта теория была разработана, чтобы объединить квантовую механику и общую теорию относительности, которые несовместимы в фундаментальных аспектах. Ее существенная особенность: в отличие от квантовой механики, теория рассматривает в качестве квантовых объектов не только частицы, но и бесматериальные поля. «В этих рамках многие исследователи рассматривают темную энергию как выражение так называемой энергии вакуума, — говорит Ткатченко, — физической величины, которая в ярком образе вызвана постоянным появлением пар частиц и их античастиц — таких как электроны и позитроны — в том, что на самом деле является пустым пространством.
|
|
|
|
Физики говорят об этом приходе и уходе виртуальных частиц и их квантовых полей как о вакууме или нулевых флуктуациях. Хотя пары частиц мгновенно снова исчезают в небытии, они оставляют после себя определенное количество энергии. «Эта энергия вакуума также имеет значение в общей теории относительности», — отмечает люксембургский ученый. «Это проявляется в космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в свои уравнения по математическим причинам». В отличие от темной энергии, которую можно вывести только из формул квантовой теории поля, космологическую постоянную можно определить непосредственно с помощью астрофизических экспериментов. Измерения с помощью космического телескопа «Хаббл» и космической миссии «Планк» дали близкие и надежные значения фундаментальной физической величины.
|
|
|
|
Расчеты темной энергии на основе квантовой теории поля, напротив, дают результаты, соответствующие значению космологической постоянной до 10120 раз большему — колоссальное несоответствие, — хотя в господствующем сегодня мировоззрении физиков оба значения должны быть равны. Обнаруженное несоответствие известно как «загадка космологической постоянной». «Это, несомненно, одно из величайших противоречий в современной науке», — говорит Александр Ткатченко. Вместе со своим люксембургским коллегой-исследователем доктором Дмитрием Федоровым он приблизил решение этой загадки, которая оставалась открытой на протяжении десятилетий, на значительный шаг вперед. В теоретической статье, результаты которой они недавно опубликовали, два люксембургских исследователя предлагают новую интерпретацию темной энергии. Предполагается, что нулевые флуктуации приводят к поляризуемости вакуума, которую можно как измерить, так и рассчитать.
|
|
|
|
«В виртуальных парах частиц с электрическим зарядом он возникает из-за электродинамических сил, которые эти частицы воздействуют друг на друга во время своего чрезвычайно короткого существования», — объясняет Ткатченко. Физики называют это самовоздействием, а поляризуемость таких частиц свойством реакции на него. «Это приводит к плотности энергии, которую можно определить с помощью новой модели», — говорит люксембургский ученый. Вместе со своим коллегой-исследователем Федоровым он разработал эту модель и впервые представил ее в 2018 году, первоначально использовавшуюся для описания атомных свойств, например, в твердых телах. Поскольку геометрические характеристики довольно легко измерить экспериментально, с помощью этих отклонений можно определить и поляризуемость.
|
|
|
|
«Мы перенесли эту процедуру на процессы в вакууме, — поясняет Федоров. Для этого два исследователя изучили поведение электронов и позитронов, которые они рассматривали как поля в соответствии с принципами квантовой теории поля. Флуктуации этих полей также могут характеризоваться равновесной геометрией, величина которой уже известна из экспериментов. «Мы вставили его в формулы нашей модели и таким образом в итоге получили силу поляризации вакуума», — сообщает Федоров. Последним шагом было квантово-механическое вычисление плотности энергии самодействия между электронами и позитронами. Полученный таким образом результат хорошо согласуется с измеренными значениями космологической постоянной: Это означает: «Темная энергия может быть прослежена до плотности энергии самодействия квантовых полей», — подчеркивает Александр Ткатченко.
|
|
|
|
«Таким образом, наша работа предлагает элегантный и нетрадиционный подход к решению загадки космологической постоянной», — резюмирует физик. «Более того, это дает поддающееся проверке предсказание: а именно, что квантовые поля, такие как поля электронов и позитронов, действительно обладают небольшой, но всегда существующей поляризацией». Это открытие указывает путь для будущих экспериментов по обнаружению этой поляризации в лаборатории, говорят два люксембургских исследователя, которые теперь хотят применить свою модель к другим парам частица-античастица. «Наша концептуальная идея должна быть применима к любой сфере», — подчеркивает Александр Ткатченко. Он рассматривает новые результаты, полученные вместе с Дмитрием Федоровым, как первый шаг к лучшему пониманию темной энергии и ее связи с космологической постоянной Альберта Эйнштейна. Ткатченко убежден: «В конце концов, это также прольет свет на то, как переплетаются квантовая теория поля и общая теория относительности как два взгляда на вселенную и ее компоненты».
|
|
|
|
Источник
|
