Există o problemă fundamentală în fizică.
Un singur număr, numit constantă cosmologică, pune la punct lumea microscopică a mecanicii cuantice și lumea macroscopică a teoriei relativității generale a lui Einstein. Dar nici o teorie nu poate fi de acord asupra valorii sale.
De fapt, există o discrepanță atât de mare între valoarea observată a acestei constante și ceea ce teoria prezice că este considerată pe scară largă cea mai rea predicție din istoria fizicii. Rezolvarea discrepanței poate fi cel mai important obiectiv al fizicii teoretice din acest secol.
Lucas Lombriser, profesor asistent de fizică teoretică la Universitatea din Geneva din Elveția, a introdus o nouă modalitate de evaluare a ecuațiilor gravitației lui Albert Einstein pentru a găsi o valoare pentru constanta cosmologică care se potrivește strâns cu valoarea observată. Și-a publicat metoda online în numărul din 10 octombrie al revistei Physics Letters B.
Cum cea mai mare gafă a lui Einstein a devenit energie întunecată
Povestea constantei cosmologice a început cu mai bine de un secol în urmă, când Einstein a prezentat un set de ecuații, acum cunoscute sub numele de ecuații de câmp Einstein, care au devenit cadrul teoriei sale relativității generale. Ecuațiile explică modul în care materia și energia deformează țesătura spațiului și a timpului pentru a crea forța gravitației. La acea vreme, atât Einstein, cât și astronomi au convenit că universul era fix ca mărime și că spațiul total dintre galaxii nu se schimbă. Cu toate acestea, când Einstein a aplicat relativitatea generală asupra universului în ansamblu, teoria sa a prezis un univers instabil care se va extinde sau se va contracta. Pentru a forța universul să fie static, Einstein a abordat constanta cosmologică.
Aproape un deceniu mai târziu, un alt fizician, Edwin Hubble, a descoperit că universul nostru nu este static, ci se extinde. Lumina din galaxiile îndepărtate a arătat că se îndepărtează toate una de cealaltă. Această revelație l-a convins pe Einstein să abandoneze constanta cosmologică din ecuațiile sale de teren, întrucât nu mai era necesar să explice un univers în expansiune. Fizica a spus că Einstein a mărturisit mai târziu că introducerea sa a constantei cosmologice a fost poate cea mai mare gafă a sa.
În 1998, observațiile despre supernovele îndepărtate au arătat că universul nu s-a extins doar, dar expansiunea a fost accelerată. Galaxiile se accelerau unul de celălalt, ca și cum o forță necunoscută depășea gravitația și îndepărtează acele galaxii. Fizicienii au numit acest fenomen enigmatic energie întunecată, deoarece adevărata sa natură rămâne un mister.
Într-o întorsătură de ironie, fizicienii au reintrodus din nou constanta cosmologică în ecuațiile de teren ale lui Einstein pentru a da seama de energia întunecată. În actualul model standard de cosmologie, cunoscut sub numele de ΛCDM (Lambda CDM), constanta cosmologică este interschimbabilă cu energia întunecată. Astronomii chiar și-au estimat valoarea pe baza observațiilor supernovelor îndepărtate și a fluctuațiilor pe fundalul microundelor cosmice. Deși valoarea este absurd de mică (de ordinul 10 ^ -52 pe metru pătrat), pe scara universului, este suficient de semnificativă pentru a explica expansiunea accelerată a spațiului.
"Constanta cosmologică constituie în prezent aproximativ 70% din conținutul de energie din universul nostru, ceea ce putem deduce din expansiunea accelerată observată prin care universul nostru este în prezent. Cu toate acestea, această constantă nu este înțeleasă", a spus Lombriser. „Încercările de a-l explica au eșuat și se pare că există ceva fundamental care lipsește în modul în care înțelegem cosmosul. Dezvăluirea acestui puzzle este una dintre principalele domenii de cercetare din fizica modernă. În general, se anticipează că rezolvarea problemei poate duce noi către o înțelegere mai fundamentală a fizicii ".
Cea mai rea predicție teoretică din istoria fizicii
Constanța cosmologică este gândită să reprezinte ceea ce fizicienii numesc „energie în vid”. Teoria câmpului cuantic afirmă că, chiar și într-un vid complet gol de spațiu, particulele virtuale apar și ies din existență și creează energie - o idee aparent absurdă, dar una care a fost observată experimental. Problema apare atunci când fizicienii încearcă să-și calculeze contribuția la constanta cosmologică. Rezultatul lor diferă de observații cu un factor de 10 ^ 121 (adică 10 urmate de 120 zero), cea mai mare discrepanță între teorie și experiment în toată fizica.
O astfel de disparitate a determinat unii fizicieni să se îndoiască de ecuațiile originale ale gravității lui Einstein; unii chiar au sugerat modele alternative de gravitație. Cu toate acestea, dovezi suplimentare ale undelor gravitaționale de la Interferometrul Laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO) au întărit doar relativitatea generală și au respins multe dintre aceste teorii alternative. De aceea, în loc să regândească gravitația, Lombriser a luat o abordare diferită pentru a rezolva acest puzzle cosmic.
"Mecanismul pe care îl propun nu modifică ecuațiile de câmp ale lui Einstein", a spus Lombriser. În schimb, „adaugă o ecuație suplimentară pe partea de sus a ecuațiilor de câmp ale lui Einstein”.
Constanta gravitațională, care a fost folosită pentru prima dată în legile gravitației lui Isaac Newton și acum o parte esențială a ecuațiilor de câmp ale lui Einstein, descrie amploarea forței gravitaționale dintre obiecte. Este considerată una dintre constantele fundamentale ale fizicii, veșnic neschimbată de la începutul universului. Lombriser a făcut presupunerea dramatică că această constantă se poate schimba.
În modificarea relativității generale a lui Lombriser, constanta gravitațională rămâne aceeași în universul nostru observabil, dar poate varia dincolo de el. El sugerează un scenariu multivers în care pot exista patch-uri ale universului invizibile pentru noi, care au valori diferite pentru constantele fundamentale.
Această variație a gravitației i-a oferit lui Lombriser o ecuație suplimentară care raportează constanta cosmologică la suma medie a materiei în spațiu-timp. După ce a dat seama de masa estimată a tuturor galaxiilor, stelelor și materiei întunecate a universului, a putut rezolva acea nouă ecuație pentru a obține o nouă valoare pentru constanta cosmologică - una care este de acord cu observațiile.
Folosind un nou parametru, ΩΛ (omega lambda), care exprimă fracția universului din materie întunecată, el a descoperit că universul este format din aproximativ 74% energie întunecată. Acest număr se potrivește strâns cu valoarea de 68,5% estimată din observații - o îmbunătățire extraordinară față de imensitatea disparității găsită de teoria cuantică a câmpurilor.
Deși cadrul Lombriser ar putea rezolva problema constantă cosmologică, în prezent nu există nicio modalitate de testare a acesteia. Dar, în viitor, dacă experimentele din alte teorii validează ecuațiile sale, ar putea însemna un salt major în înțelegerea energiei noastre întunecate și să ofere un instrument pentru a rezolva alte mistere cosmice.
