يكتشف الفيزيائيون طريقة جديدة لحل لغز الطاقة المظلمة الغريب

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.

للكون عدد من الخصائص الغريبة التي يصعب فهمها من خلال التجربة اليومية. على سبيل المثال ، فإن المادة التي نعرفها ، والتي تتكون من جزيئات أولية ومركبة تتكون من جزيئات ومواد ، تشكل على ما يبدو جزءًا صغيرًا فقط من طاقة الكون. أكبر مساهمة ، حوالي الثلثين ، تأتي من “الطاقة المظلمة“- شكل افتراضي للطاقة لا يزال علماء الفيزياء خلفيته في حيرة من أمرهم. علاوة على ذلك ، فإن الكون لا يتوسع بشكل مطرد فحسب ، بل إنه يفعل ذلك أيضًا بوتيرة أسرع من أي وقت مضى.

يبدو أن كلتا الخاصيتين متصلتان ، لأن الطاقة المظلمة يعتبر أيضًا محركًا للتوسع المتسارع. علاوة على ذلك ، يمكن أن توحد مدرستين فيزيائيتين قويتين للفكر: نظرية المجال الكمي والنظرية النسبية العامة التي طورها ألبرت أينشتاين. لكن هناك مشكلة: الحسابات والملاحظات بعيدة كل البعد عن التطابق. أظهر باحثان من لوكسمبورغ طريقة جديدة لحل هذا اللغز الذي يبلغ عمره 100 عام في ورقة بحثية نشرتها المجلة رسائل المراجعة البدنية.

أثر الجسيمات الافتراضية في الفراغ

“الفراغ لديه طاقة. هذه نتيجة أساسية لنظرية المجال الكمي ، “يشرح البروفيسور ألكسندر تكاتشينكو ، أستاذ الفيزياء النظرية في قسم الفيزياء وعلوم المواد في جامعة لوكسمبورغ. تم تطوير هذه النظرية لتجمع بين ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة ، ولكن يبدو أن نظرية المجال الكمومي غير متوافقة مع النسبية العامة. ميزتها الأساسية: على عكس ميكانيكا الكم ، فإن النظرية لا تنظر فقط إلى الجسيمات ولكن أيضًا في المجالات الخالية من المادة كأشياء كمومية.

يقول Tkatchenko: “في هذا الإطار ، يعتبر العديد من الباحثين الطاقة المظلمة تعبيرًا عن ما يسمى بالطاقة الفراغية” ، وهي كمية فيزيائية ناتجة ، في صورة حية ، عن الظهور والتفاعل المستمر لأزواج من الجسيمات وجسيماتها المضادة – مثل الإلكترونات والبوزيترونات – في ما هو في الواقع مساحة فارغة.

الخلفية الكونية الميكروية التي رآها بلانك. الائتمان: ESA و Planck Collaboration

يتحدث الفيزيائيون عن مجيء وذهاب الجسيمات الافتراضية وحقولها الكمومية على أنها تقلبات في الفراغ أو نقطة الصفر. بينما تتلاشى أزواج الجسيمات بسرعة إلى العدم مرة أخرى ، فإن وجودها يترك وراءه قدرًا معينًا من الطاقة.

يلاحظ عالِم لوكسمبورغ أن “طاقة الفراغ هذه لها أيضًا معنى في النسبية العامة”: “تتجلى في الثابت الكوني الذي أدرجه أينشتاين في معادلاته لأسباب فيزيائية”.

عدم تطابق هائل

على عكس طاقة الفراغ ، التي لا يمكن استنتاجها إلا من معادلات نظرية المجال الكمومي ، يمكن تحديد الثابت الكوني مباشرة عن طريق تجارب الفيزياء الفلكية. أسفرت القياسات باستخدام تلسكوب هابل الفضائي ومهمة بلانك الفضائية عن قيم قريبة وموثوقة للكمية الفيزيائية الأساسية. من ناحية أخرى ، تؤدي حسابات الطاقة المظلمة على أساس نظرية المجال الكمومي إلى نتائج تتوافق مع قيمة الثابت الكوني التي تصل إلى 10¹²⁰ مرات أكبر – تناقض هائل ، على الرغم من أن النظرة السائدة لعلماء الفيزياء اليوم ، يجب أن تكون كلا القيمتين متساويتين. يُعرف التناقض الموجود بدلاً من ذلك باسم “لغز الثابت الكوني”.

يقول ألكسندر تكاتشينكو: “إنها بلا شك واحدة من أعظم التناقضات في العلم الحديث”.

طريقة غير تقليدية للتفسير

بالتعاون مع زميله البحثي في ​​لوكسمبورغ الدكتور ديمتري فيدوروف ، قدم الآن الحل لهذا اللغز ، الذي ظل مفتوحًا منذ عقود ، خطوة مهمة أقرب. في عمل نظري ، نشروا نتائجه مؤخرًا في رسائل المراجعة البدنيةاقترح الباحثان في 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 الشحنة الكهربائية المعاكسة ، تنشأ من القوى الكهروديناميكية التي تمارسها هذه الجسيمات على بعضها البعض خلال فترة وجودها القصيرة للغاية”. يشير الفيزيائيون إلى هذا على أنه فراغ تفاعل ذاتي. “إنه يؤدي إلى كثافة طاقة يمكن تحديدها بمساعدة نموذج جديد” ، كما يقول العالم لوكسمبورغ.

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

يوضح فيدوروف: “لقد نقلنا هذا الإجراء إلى العمليات في الفراغ”. تحقيقا لهذه الغاية ، نظر الباحثان في سلوك المجالات الكمومية ، ولا سيما تمثيل “ذهاب و ذهاب” الإلكترونات والبوزيترونات. يمكن أيضًا أن تتميز تقلبات هذه الحقول بهندسة التوازن المعروفة بالفعل من التجارب. يقول فيدوروف: “لقد أدخلناه في صيغ نموذجنا ، وبهذه الطريقة حصلنا في النهاية على قوة استقطاب الفراغ الداخلي”.

كانت الخطوة الأخيرة بعد ذلك هي الحساب ميكانيكيًا لكثافة الطاقة للتفاعل الذاتي بين تقلبات الإلكترونات والبوزيترونات. تتوافق النتيجة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة جيدًا مع القيم المقاسة للثابت الكوسمولوجي. وهذا يعني: “يمكن إرجاع الطاقة المظلمة إلى كثافة الطاقة للتفاعل الذاتي للحقول الكمية” ، كما يؤكد ألكسندر تكاتشينكو.

قيم متسقة وتوقعات يمكن التحقق منها

“يقدم عملنا بالتالي نهجًا أنيقًا وغير تقليدي لحل لغز الثابت الكوني” ، يلخص الفيزيائي. “علاوة على ذلك ، فإنه يوفر تنبؤًا يمكن التحقق منه: أي أن الحقول الكمومية مثل تلك الخاصة بالإلكترونات والبوزيترونات تمتلك بالفعل استقطابًا جوهريًا صغيرًا ولكنه دائم الوجود.”

يشير هذا 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”. “ويتضمن عملنا وصفة حول كيفية إدراك ذلك.”

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

أخيرًا ، Tkatchenko مقتنع: “في النهاية ، يمكن أن يلقي هذا الضوء أيضًا على الطريقة التي تتشابك بها نظرية المجال الكمومي ونظرية النسبية العامة كطريقتين للنظر إلى الكون ومكوناته.”

المرجع: “كثافة طاقة التفاعل الذاتي لـ Casimir في الحقول الكهروديناميكية الكمومية” بقلم ألكسندر تكاتشينكو وديمتري ف. فيدوروف ، 24 يناير 2023 ، رسائل المراجعة البدنية.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.041601