Във физиката има фундаментален проблем.
Едино число, наречено космологична константа, преодолява микроскопичния свят на квантовата механика и макроскопичния свят на теорията за общата относителност на Айнщайн. Но нито една теория не може да се съгласи по нейната стойност.
Всъщност има такова огромно разминаване между наблюдаваната стойност на тази константа и това, което теорията предсказва, че тя се счита за най-лошото прогнозиране в историята на физиката. Разрешаването на несъответствието може да бъде най-важната цел на теоретичната физика през този век.
Лукас Ломбризер, доцент по теоретична физика в Университета в Женева в Швейцария, въведе нов начин за оценка на уравненията на гравитацията на Алберт Айнщайн, за да намери стойност за космологичната константа, която съответства точно на наблюдаваната му стойност. Той публикува своя метод онлайн в броя на 10 октомври на списанието Physics Letters B.
Как най-голямата грешка на Айнщайн стана тъмна енергия
Историята на космологичната константа започва преди повече от век, когато Айнщайн представи набор от уравнения, сега известни като полеви уравнения на Айнщайн, които станаха рамката на неговата теория за общата относителност. Уравненията обясняват как материята и енергията изкривяват тъканта на пространството и времето, за да създадат силата на гравитацията. По това време и Айнщайн, и астрономите се съгласиха, че Вселената е фиксирана по размер и че общото пространство между галактиките не се променя. Въпреки това, когато Айнщайн приложи общата относителност към Вселената като цяло, неговата теория предсказа нестабилна Вселена, която или ще се разшири, или свие. За да принуди Вселената да бъде статична, Айнщайн се придържа към космологичната константа.
Близо десетилетие по-късно друг физик, Едвин Хъбъл, откри, че нашата Вселена не е статична, а се разширява. Светлината от далечни галактики показваше, че всички те се отдалечават една от друга. Това откровение убеждава Айнщайн да изостави космологичната константа от своите полеви уравнения, тъй като вече не е необходимо да се обяснява разширяващата се вселена. Според физиката Айнщайн по-късно призна, че въвеждането му в космологичната константа е може би най-голямата му грешка.
През 1998 г. наблюденията на далечни свръхнови показват, че Вселената не просто се разширява, но разширяването се ускорява. Галактиките се ускоряваха една от друга, сякаш някаква неизвестна сила преодоляваше гравитацията и раздвижваше тези галактики една от друга. Физиците са нарекли това загадъчно явление тъмна енергия, тъй като истинската му същност остава загадка.
В обрат на ирония физиците отново въведоха космологичната константа в полевите уравнения на Айнщайн, за да отчитат тъмната енергия. В сегашния стандартен модел на космологията, известен като ΛCDM (Ламбда CDM), космологичната константа е взаимозаменяема с тъмната енергия. Астрономите дори са оценили стойността му въз основа на наблюдения на далечни свръхнови и колебания в космическия микровълнов фон. Въпреки че стойността е абсурдно малка (от порядъка на 10 ^ -52 на квадратен метър), над мащаба на Вселената е достатъчно значима, за да обясни ускореното разширяване на пространството.
"Космологичната константа понастоящем представлява около 70% от енергийното съдържание във нашата Вселена. Това е, което можем да заключим от наблюдаваното ускорено разширение, на което в момента се намира нашата Вселена. И все пак тази константа не се разбира", казва Ломбризер. „Опитите да го обясним се провалиха и изглежда, че има нещо фундаментално, което ни липсва в разбирането на космоса. Разгадаването на този пъзел е една от основните изследователски области в съвременната физика. По принцип се очаква, че разрешаването на проблема може да доведе до това ни към по-фундаментално разбиране на физиката. "
Най-лошото теоретично прогнозиране в историята на физиката
Смята се, че космологичната константа представлява онова, което физиците наричат "вакуумна енергия". Теорията на квантовото поле гласи, че дори в напълно празен вакуум на пространството виртуалните частици изскачат и излизат от съществуването и създават енергия - на пръв поглед абсурдна идея, но такава, която е наблюдавана експериментално. Проблемът възниква, когато физиците се опитват да изчислят неговия принос към космологичната константа. Резултатът им се различава от наблюденията по умопомрачителен фактор 10 ^ 121 (това е 10, последвано от 120 нули), което е най-голямото несъответствие между теория и експеримент в цялата физика.
Подобно несъответствие накара някои физици да се усъмнят в оригиналните уравнения на гравитацията на Айнщайн; някои дори предлагат алтернативни модели на гравитация. По-нататъшните доказателства за гравитационните вълни от Лазерната интерферометрова гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) само засилиха общата относителност и отхвърлиха много от тези алтернативни теории. Ето защо вместо да преосмисли гравитацията, Ломбризер предприе различен подход, за да реши този космически пъзел.
"Механизмът, който предлагам, не променя полевите уравнения на Айнщайн", каза Ломбризер. Вместо това, „тя добавя допълнително уравнение отгоре на полевите уравнения на Айнщайн“.
Гравитационната константа, използвана за първи път в гравитационните закони на Исаак Нютон и сега съществена част от полевите уравнения на Айнщайн, описва величината на гравитационната сила между обектите. Счита се за една от основните константи на физиката, вечно непроменена от началото на Вселената. Ломбризер направи драматичното предположение, че тази константа може да се промени.
В модификацията на Ломбризер на общата относителност гравитационната константа остава същата в нашата наблюдаема вселена, но може да варира извън нея. Той предлага многостранен сценарий, при който може да има петна от невидимата за нас Вселена, които имат различни стойности за основните константи.
Тази промяна на гравитацията даде на Ломбризер допълнително уравнение, което свързва космологичната константа със средната сума на материята в пространството-времето. След като отчете прогнозната маса на всички галактики, звезди и тъмна материя на Вселената, той можеше да реши това ново уравнение, за да получи нова стойност за космологичната константа - такова, което плътно се съгласява с наблюденията.
Използвайки нов параметър ΩΛ (омега ламбда), който изразява фракцията от Вселената, направена от тъмна материя, той установи, че Вселената е съставена от около 74% тъмна енергия. Това число съвпада точно със стойността от 68,5%, оценена от наблюденията - огромно подобрение спрямо огромното несъответствие, открито от теорията на квантовите полета.
Въпреки че рамката на Ломбризер може да реши проблема с космологичната константа, в момента няма начин да се тества. Но в бъдеще, ако експериментите от други теории потвърдят уравненията му, това може да означава голям скок в разбирането ни за тъмната енергия и да предостави инструмент за решаване на други космически мистерии.
