Fizikoje yra pagrindinė problema.
Pavienis skaičius, vadinamas kosmologine konstanta, jungia mikroskopinį kvantinės mechanikos pasaulį ir Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos makroskopinį pasaulį. Tačiau nė viena teorija negali susitarti dėl savo vertės.
Tiesą sakant, yra toks didžiulis neatitikimas stebimos šios konstantos vertės ir to, kokia teorija prognozuoja, kad ji plačiai laikoma blogiausia prognoze fizikos istorijoje. Neatitikimo sprendimas gali būti svarbiausias teorinės fizikos tikslas šiame amžiuje.
Ženevos universiteto Šveicarijoje teorinės fizikos docentas Lucasas Lombriseris pristatė naują Alberto Einšteino gravitacijos lygčių įvertinimo metodą, kad rastų kosmologinės konstantos vertę, kuri artimai atitiktų stebimą vertę. Savo metodą jis paskelbė internete spalio 10 d. Žurnalo „Physics Letters B“ numeryje.
Kaip didžiausias Einšteino trūkumas tapo tamsiąja energija
Kosmologinės konstantos istorija prasidėjo daugiau nei prieš šimtmetį, kai Einšteinas pateikė lygčių rinkinį, dabar žinomą kaip Einšteino lauko lygtys, kuris tapo jo bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindu. Lygtys paaiškina, kaip materija ir energija deformuoja erdvės ir laiko audinį, kad būtų sukurta gravitacijos jėga. Tuo metu tiek Einšteinas, tiek astronomai sutarė, kad visatos dydis yra fiksuotas ir kad bendras kosmosas tarp galaktikų nesikeitė. Tačiau kai Einsteinas pritaikė bendrąjį reliatyvumą visai visatai, jo teorija numatė nestabilią visatą, kuri arba išsiplės, arba susitrauks. Norėdamas priversti Visatą būti statišką, Einšteinas smogė į kosmologinę konstantą.
Beveik po dešimtmečio kitas fizikas Edwinas Hablas atrado, kad mūsų visata nėra statiška, bet plečiasi. Šviesa iš tolimų galaktikų parodė, kad jos visos tolsta viena nuo kitos. Šis apreiškimas įtikino Einšteiną atsisakyti kosmologinės konstantos iš savo lauko lygčių, nes nebereikėjo aiškinti besiplečiančios visatos. Fizikos tyrinėtojai teigė, kad vėliau Einšteinas prisipažino, kad jo įvesta kosmologinė konstanta buvo bene didžiausias jo nesklandumas.
1998 m. Tolimų supernovų stebėjimai parodė, kad visata ne tik plėtėsi, bet ir plėtėsi. Galaktikos pagreitėjo viena nuo kitos, tarsi kažkokia nežinoma jėga įveiktų sunkumą ir atitrauktų šias galaktikas. Fizikai šį mįslingą reiškinį pavadino tamsiąja energija, nes tikroji jo prigimtis išlieka paslaptis.
Suvokdami ironiją, fizikai dar kartą įvedė kosmologinę konstantą į Einšteino lauko lygtis, kad galėtų įvertinti tamsiąją energiją. Dabartiniame standartiniame kosmologijos modelyje, vadinamame ΛCDM (Lambda CDM), kosmologinė konstanta yra keičiama į tamsiąją energiją. Astronomai net įvertino jos vertę remdamiesi tolimų supernovų stebėjimais ir kosminių mikrobangų fono svyravimais. Nors vertė yra absurdiškai maža (maždaug 10 ^ -52 vienam kvadratiniam metrui), visatos masteliu ji yra pakankamai reikšminga, kad paaiškintų pagreitintą kosmoso plėtimąsi.
"Šiuo metu kosmologinė konstanta sudaro apie 70% mūsų visatos energijos kiekio. Būtent tai galime daryti išvadą apie pastebėtą pagreitintą plėtrą, kurią šiuo metu patiria mūsų visata. Vis dėlto ši konstanta nėra suprantama", - teigė Lombriseris. "Mėginimai paaiškinti tai nepavyko. Atrodo, kad kažkokio esminio dalyko mums trūksta, kai suprantame kosmosą. Šio galvosūkio išskleidimas yra viena iš svarbiausių šiuolaikinės fizikos tyrimų sričių. Paprastai manoma, kad problemos sprendimas gali lemti įprasmesnį fizikos supratimą “.
Blogiausia teorinė prognozė fizikos istorijoje
Manoma, kad kosmologinė konstanta atspindi tai, ką fizikai vadina „vakuumo energija“. Kvantinio lauko teorija teigia, kad net visiškai tuščiame kosmoso vakuume virtualios dalelės iššoks ir iškils iš egzistencijos bei sukuria energiją - iš pažiūros absurdiška idėja, tačiau ta, kuri buvo stebėta eksperimentiškai. Problema iškyla tada, kai fizikai bando apskaičiuoti jos indėlį į kosmologinę konstantą. Jų rezultatas nuo stebėjimų skiriasi protu nesuvokiamu koeficientu 10 ^ 121 (tai yra 10, po jo seka 120 nulių), tai yra didžiausias teorijos ir eksperimento neatitikimas visoje fizikoje.
Dėl tokio skirtumo kai kurie fizikai suabejojo originaliomis Einšteino sunkio lygtimis; kai kurie netgi pasiūlė alternatyvius gravitacijos modelius. Tačiau kiti lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijos (LIGO) pateikti gravitacinių bangų įrodymai tik sustiprino bendrąjį reliatyvumą ir atmetė daugelį šių alternatyvių teorijų. Būtent todėl, užuot pergalvojęs sunkumą, Lombriseris pasirinko kitokį požiūrį spręsdamas šią kosminę dėlionę.
„Mano siūlomas mechanizmas nekeičia Einšteino lauko lygčių“, - teigė Lombriseris. Vietoj to "pridedama papildoma lygtis ant Einšteino lauko lygčių".
Gravitacijos konstanta, kuri pirmiausia buvo naudojama Izaoko Niutono gravitacijos dėsniuose ir dabar yra esminė Einšteino lauko lygčių dalis, apibūdina gravitacinės jėgos tarp objektų dydį. Tai laikoma viena iš pagrindinių fizikos konstantų, amžinai nepakitusių nuo visatos pradžios. Lombriseris padarė dramatišką prielaidą, kad ši konstanta gali pasikeisti.
Lombriserio modifikavus bendrąjį reliatyvumą, gravitacinė konstanta mūsų stebimojoje visatoje išlieka ta pati, tačiau gali skirtis ir už jos ribų. Jis siūlo daugialypį scenarijų, kai gali būti mums nematomos visatos dėmės, turinčios skirtingas pagrindinių konstantų vertybes.
Šis sunkio kitimas suteikė Lombriseriui papildomą lygtį, susiejančią kosmologinę konstantą su vidutine materijos suma erdvės metu. Suskaičiavęs apskaičiuotą visų galaktikų, žvaigždžių ir tamsiosios Visatos masės masę, jis galėtų išspręsti tą naują lygtį, kad gautų naują kosmologinės konstantos vertę - tą, kuri tiksliai sutaria su stebėjimais.
Naudodamas naują parametrą ΩΛ (omega lambda), kuris išreiškia visatos dalį, sudarytą iš tamsiosios medžiagos, jis nustatė, kad visata sudaryta iš maždaug 74% tamsiosios energijos. Šis skaičius tiksliai sutampa su 68,5% verte, apskaičiuota remiantis stebėjimais - tai yra puikus pagerėjimas, palyginti su didžiuliu skirtumu, nustatytu kvantinio lauko teorijoje.
Nors Lombriserio sistema gali išspręsti nuolatinę kosmologinę problemą, šiuo metu nėra galimybės jos išbandyti. Bet ateityje, jei eksperimentai iš kitų teorijų patvirtins jo lygtis, tai gali reikšti didelį šuolį į mūsų supratimą apie tamsiąją energiją ir suteikti įrankį kitoms kosminėms paslaptims išspręsti.
