U fizici postoji temeljni problem.
Jedan broj, nazvan kozmološka konstanta, premošćuje mikroskopski svijet kvantne mehanike i makroskopski svijet Einsteinove teorije opće relativnosti. Ali ni jedna teorija se ne može složiti oko njegove vrijednosti.
Zapravo, postoji tako velika razlika između promatrane vrijednosti ove konstante i onoga što teorija predviđa da se općenito smatra najgorim predviđanjem u povijesti fizike. Rješavanje odstupanja možda je najvažniji cilj teorijske fizike ovog stoljeća.
Lucas Lombriser, docent teorijske fizike na Sveučilištu u Ženevi u Švicarskoj, uveo je novi način procjenjivanja gravitacijskih jednadžbi Alberta Einsteina kako bi se pronašla vrijednost za kozmološku konstantu koja usko odgovara njegovoj promatranoj vrijednosti. On je objavio svoju metodu na mreži u broju za listopad Physics Letters B. od 10. listopada.
Kako je Einsteinova najveća zabluda postala tamna energija
Priča o kosmološkoj konstanti započela je prije više od jednog stoljeća kada je Einstein predstavio skup jednadžbi, danas poznatih kao Einsteinove jednadžbe polja, koje su postale okvir njegove teorije opće relativnosti. Jednadžbe objašnjavaju kako materija i energija prekrivaju tkaninu prostora i vremena da bi stvorili silu gravitacije. Tada su se i Einstein i astronomi složili da je svemir fiksiran u veličini i da se cjelokupni prostor između galaksija nije mijenjao. Međutim, kada je Einstein primijenio opću relativnost na svemir kao cjelinu, njegova je teorija predviđala nestabilan svemir koji će se ili proširiti ili ugovoriti. Kako bi primorao svemir da bude statičan, Einstein se držao kozmološke konstante.
Gotovo desetljeće kasnije, drugi fizičar, Edwin Hubble, otkrio je da naš svemir nije statičan, već se širi. Svjetlost iz dalekih galaksija pokazivala je da se sve udaljavaju jedna od druge. Ovo otkriće nagovorilo je Einsteina da odustane od kozmološke konstante iz svojih poljskih jednadžbi jer više nije bilo potrebno objašnjavati svemir koji se širi. Prema saznanjima fizike, Einstein je kasnije priznao da mu je uvođenje kozmološke konstante možda najveća pogreška.
1998., promatranje udaljenih supernova pokazalo je da se svemir ne samo proširio, već je širenje ubrzavalo. Galaksije su se ubrzavale jedna od druge kao da je neka nepoznata sila nadvladala gravitaciju i odgurnula te galaksije uza se. Fizičari su taj enigmatični fenomen nazvali tamnom energijom, jer njegova prava priroda ostaje misterija.
U naletu ironije, fizičari su ponovo unijeli kosmološku konstantu u Einsteinove jednadžbe polja da bi računali tamnu energiju. U trenutnom standardnom modelu kosmologije, poznatom kao ΛCDM (Lambda CDM), kosmološka konstanta je zamijenjiva s tamnom energijom. Astronomi su čak procijenili njegovu vrijednost na temelju promatranja udaljenih supernova i fluktuacija u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini. Iako je vrijednost apsurdno mala (poredak 10 ^ -52 po kvadratnom metru), u skali svemira, dovoljno je značajna da objasni ubrzano širenje prostora.
"Kozmološka konstanta trenutno čini oko 70% energetskog sadržaja u našem svemiru. To je ono što možemo izvesti iz promatrane ubrzane ekspanzije koju naš svemir trenutno prolazi. Ipak, ta se konstanta ne razumije", rekao je Lombriser. "Pokušaji da se objasni to su propali, a čini se da postoji nešto temeljno što nam nedostaje u shvaćanju kozmosa. Razmotavanje ove zagonetke jedno je od glavnih istraživačkih područja moderne fizike. Općenito se očekuje da će rješavanje pitanja dovesti do toga nas na temeljnije razumijevanje fizike. "
Najgora teorijska predviđanja u povijesti fizike
Smatra se da kozmološka konstanta predstavlja ono što fizičari nazivaju "energijom vakuuma". Teorija kvantnog polja kaže da čak i u potpuno praznom vakuumu prostora virtualne čestice iskaču i izlaze iz i stvaraju energiju - naizgled apsurdna ideja, ali ona koja je promatrana eksperimentalno. Problem nastaje kada fizičari pokušavaju izračunati njegov doprinos kozmološkoj konstanti. Njihov se rezultat razlikuje od promatranja neverovatnim faktorom od 10 ^ 121 (tada 10 slijedi 120 nula), što je najveće odstupanje između teorije i eksperimenta u čitavoj fizici.
Takav nesrazmjer natjerao je neke fizičare da sumnjaju u Einsteinove izvorne jednadžbe gravitacije; neki su čak predložili alternativne modele gravitacije. Međutim, daljnji dokazi o gravitacijskim valovima Laser Interferometer Gravitacijski-valni opservatorij (LIGO) samo su pojačali opću relativnost i odbacili mnoge od ovih alternativnih teorija. Zbog čega je Lombriser umjesto da preispita gravitaciju drugačije pristupio rješavanju ove kozmičke zagonetke.
"Mehanizam koji predlažem ne mijenja Einsteinove jednadžbe polja", rekao je Lombriser. Umjesto toga, "dodaje dodatnu jednadžbu na vrh Einsteinove jednadžbe polja."
Gravitacijska konstanta, koja se prvo koristila u zakonima gravitacije Isaaca Newtona, a sada je bitan dio Einsteinovih jednadžbi polja, opisuje veličinu gravitacijske sile između objekata. Smatra se jednom od osnovnih konstanti fizike, vječno nepromijenjenom od početka svemira. Lombriser je dramatično pretpostavio da se ta konstanta može promijeniti.
U Lombriserovoj modifikaciji opće relativnosti gravitaciona konstanta ostaje ista unutar našeg promatranog svemira, ali može varirati i izvan nje. Predlaže multiverzalni scenarij u kojem mogu postojati zakrpe iz nas svemira koje imaju različite vrijednosti za temeljne konstante.
Ova varijacija gravitacije dala je Lombriseru dodatnu jednadžbu koja povezuje kozmološku konstantu s prosječnim zbrojem materije kroz prostor-vrijeme. Nakon što je izračunao procijenjenu masu svih galaksija, zvijezda i tamne materije svemira, mogao je riješiti tu novu jednadžbu kako bi dobio novu vrijednost za kozmološku konstantu - onu koja se usko slaže s opažanjima.
Koristeći novi parametar, ΩΛ (omega lambda), koji izražava djelić svemira izrađenu od tamne materije, ustanovio je da se svemir sastoji od oko 74% tamne energije. Ovaj se broj u potpunosti podudara s vrijednošću od 68,5% procijenjenom na temelju promatranja - što je strašan napredak u odnosu na ogromnu nejednakost koju je utvrdila kvantna teorija polja.
Iako bi Lombriserov okvir mogao riješiti problem kozmološke konstante, trenutno ne postoji način da se testira. Ali u budućnosti, ako eksperimenti iz drugih teorija potvrde njegove jednadžbe, to bi moglo značiti veliki skok u našem razumijevanju tamne energije i pružiti alat za rješavanje drugih kozmičkih misterija.
