اكتشف علماء الفيزياء طريقة جديدة لحل لغز الطاقة المظلمة الغامض

ما وراء الطاقة المظلمة – وما الذي يربطها بالثابت الكوني الذي قدمه ألبرت أينشتاين؟ يشير اثنان من علماء الفيزياء من جامعة لوكسمبورغ إلى طريقة الإجابة على هذه الأسئلة المفتوحة في الفيزياء.

هناك العديد من الخصائص الغريبة في الكون التي يصعب فهمها من خلال التجربة اليومية. على سبيل المثال ، المادة كما نعرفها ، المكونة من جزيئات أولية ومركبة تشكل الجزيئات والمادة ، تشكل جزءًا صغيرًا فقط من الطاقة في الكون. أكبر مساهمة ، حوالي الثلثين ، هي “الطاقة المظلمة”- شكل افتراضي للطاقة ، لا تزال خلفيته تحير الفيزيائيين. ولا يقتصر الأمر على توسع الكون بشكل مطرد ، بل إنه يفعل ذلك بمعدل غير مسبوق.

يبدو أن السمتين مرتبطان لأن الطاقة المظلمة يعتبر أيضًا محركًا للتوسع المتسارع. علاوة على ذلك ، يمكن أن يجمع بين فكرتين قويتين في الفيزياء: نظرية المجال الكمي والنظرية النسبية العامة التي طورها ألبرت أينشتاين. ولكن هناك مشكلة: الحسابات والملاحظات لم تتطابق بعد. أظهر باحثان من لوكسمبورغ طريقة جديدة لحل هذا اللغز الذي يبلغ عمره 100 عام. خطابات المراجعة المادية.

مسارات الجسيمات الافتراضية في الفراغ

“طاقة الفراغ موجودة. هذه نتيجة أساسية لنظرية المجال الكمي ، “يوضح البروفيسور ألكسندر تكاتشينكو ، أستاذ الفيزياء النظرية في قسم الفيزياء وعلوم المواد. جامعة لوكسمبورغ. تم تطوير هذه النظرية لتوحيد ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة ، لكن نظرية المجال الكمومي غير متوافقة مع النسبية العامة. ميزتها الأساسية: على عكس ميكانيكا الكم ، لا تتعامل النظرية مع الجسيمات فحسب ، بل تتعامل أيضًا مع الحقول غير المادية كأشياء كمومية.

يقول Tkatchenko: “في هذا الإطار ، يعتبر العديد من الباحثين أن الطاقة المظلمة هي مظهر لما يسمى طاقة الفراغ” ، وهي كمية فيزيائية ناتجة عن الظهور المستمر والتفاعل المستمر بين أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة لها ، في صورة واضحة. – مثل الإلكترونات والبوزيترونات – في الفضاء الفارغ بالمعنى الحرفي للكلمة.

الخلفية الكونية الميكروية التي رآها بلانك. الائتمان: تعاون وكالة الفضاء الأوروبية وبلانك

يقول الفيزيائيون أن الجسيمات الافتراضية وحقولها الكمومية تأتي وتذهب كفراغ أو تقلبات نقطة الصفر. بينما تختفي أزواج الجسيمات سريعًا إلى العدم ، فإن وجودها يترك وراءه قدرًا معينًا من الطاقة.

“طاقة الفراغ هذه لها أيضًا معنى في النسبية العامة ،” يلاحظ عالم لوكسمبورغ: “إنها تتجلى في الثابت الكوني الذي أدخله أينشتاين في معادلاته لأسباب فيزيائية”.

عدم تطابق كبير

على عكس طاقة الفراغ ، التي لا يمكن معرفتها إلا من معادلات نظرية المجال الكمومي ، يمكن تحديد الثابت الكوني مباشرة من تجارب الفيزياء الفلكية. قدمت القياسات التي أجراها تلسكوب هابل الفضائي وبعثة بلانك الفضائية قيمًا قريبة وموثوقة من الفيزياء الأساسية. من ناحية أخرى ، تعطي حسابات الطاقة المظلمة بناءً على نظرية المجال الكمومي نتائج مماثلة لقيم الثابت الكوني حتى 10.¹²⁰ مرات أكبر – تناقض هائل ، رغم أنه في النظرة العالمية لعلماء الفيزياء السائدة اليوم ، يجب أن تكون القيمتان متساويتين. وبدلاً من ذلك ، يُطلق على المفارقة التي تم العثور عليها اسم “لغز الثابت الكوني”.

يقول ألكسندر تكاتشينكو: “هذه بلا شك واحدة من أعظم مفارقات العلم الحديث”.

وصف غير عادي

جنبًا إلى جنب مع زميله البحثي في ​​لوكسمبورغ ، الدكتور ديميتري فيدورو ، خطى الآن خطوة مهمة إلى الأمام في هذا اللغز المفتوح لعقود. في عمل نظري ، نشروا نتائجهم مؤخرًا خطابات المراجعة الماديةاقترح باحثان من لوكسمبورغ تفسيرًا جديدًا للطاقة المظلمة. يفترض أن تقلبات نقطة الصفر تؤدي إلى استقطاب الفراغ ، والذي يمكن قياسه وحسابه.

يوضح تكاتشينكو: “في أزواج من الجسيمات الافتراضية ذات الشحنات الكهربائية المعاكسة ، ينشأ هذا من القوى الديناميكية الكهربية التي تمارس على بعضها البعض بواسطة هذه الجسيمات في فترة حياتها القصيرة جدًا”. يشير الفيزيائيون إلى هذا على أنه ارتباط ذاتي فراغ. “هذا يؤدي إلى كثافة طاقة يمكن تحديدها بمساعدة نموذج جديد” ، كما يقول العالم لوكسمبورغ.

طوروا مع زميله البحثي فيدوروف نموذجًا أساسيًا للذرات قبل بضع سنوات وقدموه لأول مرة في عام 2018. تم استخدام هذا النموذج في الأصل لوصف الخصائص الذرية ، وخاصة العلاقة بين الاستقطاب وخصائص التوازن للذرات. لبعض الجزيئات والمواد الصلبة غير المترابطة تساهميًا. نظرًا لأنه من السهل جدًا قياس الخصائص الهندسية تجريبيًا ، يمكن تحديد الاستقطاب من خلال صيغتها.

يوضح فيدوروف: “لقد نقلنا هذا الإجراء إلى عمليات في فراغ”. ولهذه الغاية ، نظر الباحثان في سلوك الحقول الكمومية ، وتحديداً “مجيء وذهاب” الإلكترونات والبوزيترونات. يمكن وصف تقلبات هذه المجالات من خلال هندسة التوازن المعروفة بالفعل من التجارب. يقول فيدوروف: “لقد أدخلناه في صيغ نموذجنا ، وبهذه الطريقة حصلنا أخيرًا على قوة استقطاب الفراغ الداخلي”.

الخطوة الأخيرة هي حساب كثافة الطاقة للارتباطات الذاتية بين تقلبات الإلكترونات والبوزيترونات ميكانيكيًا. النتيجة التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة تتوافق جيدًا مع القيم المقاسة للثابت الكوسمولوجي. وهذا يعني: “يمكن الكشف عن الطاقة المظلمة في كثافة الطاقة للتفاعلات الذاتية للحقول الكمية” ، كما يؤكد ألكسندر تكاتشينكو.

قيم ثابتة وتوقعات يمكن التحقق منها

يلخص الفيزيائي: “يقدم عملنا نهجًا أنيقًا وغير تقليدي لحل لغز الثابت الكوني”. “علاوة على ذلك ، فإنه يوفر تنبؤًا يمكن التحقق منه: أي أن الحقول الكمومية مثل الإلكترونات والبوزيترونات لها في الواقع استقطاب جوهري صغير ولكنه دائم الوجود.”

يشير الاكتشاف إلى الطريق أمام التجارب المستقبلية للكشف عن هذا الاستقطاب في المختبر أيضًا ، كما يقول الباحثان في لوكسمبورغ. يؤكد ديمتري فيدوروف: “هدفنا هو اشتقاق الثابت الكوني من مقاربة نظرية كمومية صارمة”. “عملنا له وصفة لكيفية تحقيق ذلك.”

النتائج الجديدة ، التي تم الحصول عليها بالتعاون مع ألكسندر تكاتشينكو ، يرى أنها الخطوة الأولى نحو فهم أفضل للطاقة المظلمة – وعلاقتها بثابت ألبرت أينشتاين الكوني.

أخيرًا ، Tkatchenko مقتنع: “في النهاية ، قد يلقي الضوء على كيفية تشابك نظرية المجال الكمومي والنسبية العامة كطريقتين للنظر إلى الكون ومكوناته.”

ملاحظة: الكسندر تكاتشينكو وديمتري ف. فيدوروف ، 24 يناير 2023 ، “كثافة طاقة الارتباط الذاتي لكاسمير في الحقول الكهروديناميكية الكمية” خطابات المراجعة المادية.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.041601