Det er et grunnleggende problem i fysikk.
Et enkelt tall, kalt den kosmologiske konstanten, bygger bro mellom kvantemekanikkens mikroskopiske verden og den makroskopiske verdenen til Einsteins teori om generell relativitet. Men ingen av teoriene kan være enige om dens verdi.
Faktisk er det et så stort avvik mellom den observerte verdien av denne konstanten og hva teorien forutsier at den er ansett som den verste prediksjonen i fysikkens historie. Å løse avviket kan være det viktigste målet for teoretisk fysikk dette århundret.
Lucas Lombriser, assisterende professor i teoretisk fysikk ved Universitetet i Genève i Sveits, har introdusert en ny måte å evaluere Albert Einsteins tyngdekvligninger for å finne en verdi for den kosmologiske konstanten som stemmer overens med den observerte verdien. Han publiserte metoden sin på nettet i 10. oktoberutgaven av tidsskriftet Physics Letters B.
Hvordan Einsteins største bommert ble mørk energi
Historien om den kosmologiske konstanten begynte for mer enn et århundre siden da Einstein presenterte et sett med ligninger, nå kjent som Einstein-feltlikningene, som ble rammen for hans teori om generell relativitet. Ligningene forklarer hvordan materie og energi forvrenger stoffets rom og tid for å skape tyngdekraften. På den tiden var både Einstein og astronomer enige om at universet var fast i størrelse og at det totale rommet mellom galakser ikke endret seg. Men når Einstein brukte generell relativitet til universet som en helhet, spådde teorien hans et ustabilt univers som enten ville utvide eller trekke seg sammen. For å tvinge universet til å være statisk, taklet Einstein den kosmologiske konstanten.
Nesten et tiår senere oppdaget en annen fysiker, Edwin Hubble, at universet vårt ikke er statisk, men utvider. Lyset fra fjerne galakser viste at de alle beveget seg vekk fra hverandre. Denne åpenbaringen overtalte Einstein til å forlate den kosmologiske konstanten fra sine feltligninger, da det ikke lenger var nødvendig å forklare et ekspanderende univers. Fysikk har det at Einstein senere tilsto at hans innføring av den kosmologiske konstanten kanskje var hans største bommert.
I 1998 viste observasjoner av fjerne supernovas at universet ikke bare ekspanderte, men utvidelsen satte fart. Galakser akselererte seg fra hverandre som om en eller annen ukjent kraft overvinner tyngdekraften og skyver galakene fra hverandre. Fysikere har kalt dette gåtefulle fenomenet mørk energi, ettersom dens sanne natur forblir et mysterium.
I en vri av ironi, innførte fysikere igjen den kosmologiske konstanten i Einsteins feltlikninger for å gjøre rede for mørk energi. I den nåværende standardmodellen for kosmologi, kjent som ΛCDM (Lambda CDM), er den kosmologiske konstanten utskiftbar med mørk energi. Astronomer har til og med estimert sin verdi basert på observasjoner av fjerne supernovas og svingninger i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Selv om verdien er absurd liten (i størrelsesorden 10 ^ -52 per kvadratmeter), over universets skala, er den betydelig nok til å forklare den akselererte ekspansjonen av rommet.
"Den kosmologiske konstanten utgjør for øyeblikket omtrent 70% av energiinnholdet i universet vårt, og det er det vi kan utlede av den observerte akselererte ekspansjonen som vårt univers for tiden er i gjennom. Likevel er denne konstanten ikke forstått," sa Lombriser. "Forsøk på å forklare det har mislyktes, og det ser ut til å være noe grunnleggende at vi mangler i hvordan vi forstår kosmos. Å løsne dette puslespillet er et av de viktigste forskningsområdene i moderne fysikk. Det er generelt forventet at å løse problemet kan føre til oss til en mer grunnleggende forståelse av fysikk. "
Den verste teoretiske prediksjonen i fysikkens historie
Den kosmologiske konstanten antas å representere det fysikere kaller "vakuumenergi." Kvantefeltteori uttaler at selv i et helt tomt vakuum av rommet, spretter virtuelle partikler inn og ut av eksistensen og skaper energi - en tilsynelatende absurd idé, men en som er blitt observert eksperimentelt. Problemet oppstår når fysikere prøver å beregne sitt bidrag til den kosmologiske konstanten. Resultatene deres skiller seg fra observasjoner av en betagende faktor på 10 ^ 121 (det er 10 etterfulgt av 120 nuller), det største avviket mellom teori og eksperiment i all fysikk.
En slik forskjell har fått noen fysikere til å tvile på Einsteins opprinnelige tyngdekvinner; noen har til og med foreslått alternative modeller av tyngdekraft. Imidlertid har ytterligere bevis på gravitasjonsbølger fra Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) bare styrket den generelle relativiteten og avvist mange av disse alternative teoriene. Det er grunnen til at i stedet for å tenke nytt på tyngdekraften, tok Lombriser en annen tilnærming til å løse dette kosmiske puslespillet.
"Mekanismen jeg foreslår modifiserer ikke Einsteins feltlikninger," sa Lombriser. I stedet "legger den en ekstra ligning på toppen av Einsteins feltlikninger."
Gravitasjonskonstanten, som først ble brukt i Isaac Newtons tyngdelov og nå en essensiell del av Einsteins feltlikninger, beskriver gravitasjonskraften mellom objekter. Det regnes som en av fysikkens grunnleggende konstanter, evig uendret siden universets begynnelse. Lombriser har lagt den dramatiske antakelsen om at denne konstanten kan endre seg.
I Lombrisers modifisering av generell relativitet er gravitasjonskonstanten den samme i vårt observerbare univers, men kan variere utover det. Han foreslår et mangfoldig scenario der det kan være flekker av universet som er usynlige for oss som har forskjellige verdier for de grunnleggende konstantene.
Denne tyngdekraftsvariasjonen ga Lombriser en tilleggsligning som forholder den kosmologiske konstanten til den gjennomsnittlige summen av materien over rom-tid. Etter at han redegjorde for den estimerte massen til alle galakser, stjerner og mørk materie i universet, kunne han løse den nye ligningen for å få en ny verdi for den kosmologiske konstanten - en som er godt enig i observasjoner.
Ved å bruke en ny parameter ΩΛ (omega lambda), som uttrykker brøkdelen av universet laget av mørk materie, fant han at universet består av omtrent 74% mørk energi. Dette tallet stemmer godt overens med verdien av 68,5% estimert fra observasjoner - en enorm forbedring i forhold til den enorme forskjellen som finnes i kvantefeltteorien.
Selv om Lombrisers rammeverk kan løse det kosmologiske konstante problemet, er det foreløpig ingen måte å teste det på. Men i fremtiden, hvis eksperimenter fra andre teorier validerer ligningene hans, kan det bety et stort sprang i vår forståelse av mørk energi og gi et verktøy for å løse andre kosmiske mysterier.
