روش جدیدی برای حل معمای عجیب انرژی تاریک

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، جهان دارای تعدادی ویژگی عجیب و غریب است که درک آن‌ها با تجربه روزمره دشوار است. به عنوان مثال، ماده‌ای که ما می‌شناسیم، متشکل از ذرات بنیادی و ترکیبی است که مولکول‌ها و مواد را می‌سازند، ظاهراً تنها بخش کوچکی از انرژی جهان را تشکیل می‌دهد.

بیشترین سهم، حدود دو سوم، از «انرژی تاریک» ناشی می‌شود - شکلی فرضی از انرژی که فیزیکدانان پیشینه آن هنوز در حال گیج هستند. علاوه بر این، جهان نه تنها به طور پیوسته در حال انبساط است، بلکه این کار را با سرعتی سریعتر انجام می‌دهد.

به نظر می‌رسد که هر دو مشخصه به هم مرتبط هستند، زیرا انرژی تاریک نیز محرک انبساط شتابان در نظر گرفته می‌شود. علاوه بر این، می‌تواند دو مکتب فکری فیزیکی قدرتمند را دوباره متحد کند: نظریه میدان کوانتومی و نظریه نسبیت عام که توسط آلبرت انیشتین توسعه یافته است. اما یک نکته وجود دارد: محاسبات و مشاهدات تا کنون از تطابق دور بوده اند. 

اکنون دو محقق از لوکزامبورگ در مقاله‌ای که توسط مجله Physical Review Letters منتشر شده است، راه جدیدی برای حل این معمای ۱۰۰ ساله نشان داده اند.

دنباله ذرات مجازی در خلاء

خلاء انرژی دارد. این یک نتیجه اساسی از نظریه میدان کوانتومی است. این نظریه برای گردآوری مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص ایجاد شد، اما به نظر می‌رسد نظریه میدان کوانتومی با نسبیت عام ناسازگار باشد. ویژگی اساسی آن: برخلاف مکانیک کوانتومی، این نظریه نه تنها ذرات، بلکه میدان‌های بدون ماده را نیز به عنوان اجسام کوانتومی در نظر می‌گیرد.

تاچنکو می‌گوید: در این چارچوب، بسیاری از محققان انرژی تاریک را به‌عنوان بیان انرژی به اصطلاح خلاء در نظر می‌گیرند. - مانند الکترون‌ها و پوزیترون‌ها - در فضایی که در واقع فضای خالی است.

پس زمینه مایکروویو کیهانی توسط پلانک مشاهده شد. منبع: ESA و همکاری پلانک

فیزیکدانان از آمدن و رفتن ذرات مجازی و میدان‌های کوانتومی آن‌ها به عنوان نوسانات خلاء یا نقطه صفر صحبت می‌کنند. در حالی که جفت ذرات دوباره به سرعت در نیستی ناپدید می‌شوند، وجود آن‌ها مقدار معینی انرژی را پشت سر می‌گذارد.

دانشمند لوکزامبورگ خاطرنشان می‌کند: این انرژی خلاء در نسبیت عام نیز معنایی دارد. این دانشمند لوکزامبورگ خود را در ثابت کیهانی که انیشتین به دلایل فیزیکی در معادلات خود گنجانده است نشان می‌دهد.

یک عدم تطابق عظیم

برخلاف انرژی خلاء، که فقط از فرمول‌های نظریه میدان کوانتومی قابل استنباط است، ثابت کیهانی را می‌توان مستقیماً با آزمایش‌های اخترفیزیکی تعیین کرد. اندازه گیری با تلسکوپ فضایی هابل و ماموریت فضایی پلانک مقادیر نزدیک و قابل اعتمادی را برای کمیت فیزیکی بنیادی به دست آورده است.

از سوی دیگر، محاسبات انرژی تاریک بر اساس نظریه میدان کوانتومی، نتایجی را به دست می‌دهد که با مقدار ثابت کیهانی که تا ۱۰۱۲۰ برابر بزرگ‌تر است مطابقت دارد - یک اختلاف عظیم، اگرچه در دیدگاه جهانی فیزیکدانان رایج امروز، هر دو مقدار باید برابر باشند. اختلاف یافت شده در عوض به عنوان «معمای ثابت کیهانی» شناخته می‌شود.

الکساندر تاچنکو می‌گوید: بی شک یکی از بزرگترین تناقضات در علم مدرن است.

روش غیر متعارف تفسیر

او به همراه همکار پژوهشی خود در لوکزامبورگ، دکتر دیمیتری فدوروف، اکنون راه حل این معما را که برای چندین دهه گشوده بوده است، گامی مهم نزدیکتر کرده است. این دو محقق لوکزامبورگ در یک کار نظری، که نتایج آن اخیراً در Physical Review Letters منتشر شده است، تفسیر جدیدی از انرژی تاریک ارائه کرده‌اند. فرض بر این است که نوسانات نقطه صفر منجر به قطبش پذیری خلاء می‌شود که می‌تواند هم اندازه گیری و هم محاسبه شود.

تاچنکو توضیح می‌دهد: در جفت‌های ذرات مجازی با بار الکتریکی مخالف، از نیرو‌های الکترودینامیکی ناشی می‌شود که این ذرات در طول حیات بسیار کوتاه خود بر یکدیگر اعمال می‌کنند. فیزیکدانان از این به عنوان یک خود تعامل خلاء یاد می‌کنند. 

این دانشمند لوکزامبورگی می‌گوید: این منجر به چگالی انرژی می‌شود که می‌توان با کمک یک مدل جدید آن را تعیین کرد.

آن‌ها به همراه همکار پژوهشی خود فدوروف، چند سال پیش مدل پایه اتم‌ها را توسعه دادند و برای اولین بار در سال ۲۰۱۸ ارائه کردند. این مدل در ابتدا برای توصیف خواص اتمی، به ویژه رابطه بین قطبش پذیری اتم‌ها و خواص تعادلی استفاده شد. برخی از مولکول‌ها و مواد جامد با پیوند غیرکووالانسی. از آنجایی که اندازه گیری ویژگی‌های هندسی به صورت تجربی بسیار آسان است، قطبش پذیری را می‌توان از طریق فرمول آن‌ها نیز تعیین کرد.

فدوروف توضیح می‌دهد: ما این رویه را به فرآیند‌های خلاء منتقل کردیم. برای این منظور، این دو محقق به رفتار میدان‌های کوانتومی، به‌ویژه نمایش «آمدن و رفتن» الکترون‌ها و پوزیترون‌ها نگاه کردند. نوسانات این میدان‌ها را می‌توان با هندسه تعادلی که قبلاً از آزمایشات مشخص شده است، مشخص کرد. 

فدوروف گزارش می‌دهد: ما آن را در فرمول‌های مدل خود وارد کردیم و از این طریق در نهایت قدرت قطبش خلاء ذاتی را به دست آوردیم.

آخرین مرحله سپس محاسبه مکانیکی کوانتومی چگالی انرژی خود برهمکنش بین نوسانات الکترون‌ها و پوزیترون‌ها بود. نتیجه به دست آمده از این طریق به خوبی با مقادیر اندازه گیری شده برای ثابت کیهانی مطابقت دارد. الکساندر تاچنکو تأکید می‌کند: انرژی تاریک را می‌توان به چگالی انرژی ناشی از برهم‌کنش خود میدان‌های کوانتومی ردیابی کرد.

مقادیر ثابت و پیش بینی‌های قابل تأیید

این فیزیکدان به طور خلاصه می‌گوید: بنابراین کار ما یک رویکرد ظریف و غیر متعارف برای حل معمای ثابت کیهانی ارائه می‌دهد. 

علاوه بر این، یک پیش‌بینی قابل تأیید ارائه می‌کند: یعنی میدان‌های کوانتومی مانند میدان‌های الکترون‌ها و پوزیترون‌ها در واقع دارای یک قطبش ذاتی کوچک، اما همیشه حاضر هستند.

این دو محقق لوکزامبورگ می‌گویند که این یافته راه را برای آزمایش‌های آینده برای تشخیص این قطبش در آزمایشگاه نیز نشان می‌دهد. دیمیتری فدوروف تأکید می‌کند: هدف ما این است که ثابت کیهانی را از یک رویکرد تئوریک کوانتومی دقیق استخراج کنیم؛ و کار ما حاوی دستور العملی برای چگونگی تحقق این امر است.

او نتایج جدید به‌دست‌آمده با الکساندر تاچنکو را اولین گام برای درک بهتر انرژی تاریک و ارتباط آن با ثابت کیهانی آلبرت انیشتین می‌داند.

در نهایت، تاچنکو متقاعد شده است: در پایان، این می‌تواند روشی را که در آن نظریه میدان کوانتومی و نظریه نسبیت عام به عنوان دو روش برای نگاه کردن به جهان و اجزای آن در هم تنیده شده اند، روشن کند.