Физики предложили новое объяснение темной энергии. Это может пролить свет на взаимозависимость между квантовой теорией поля и общей теорией относительности как двух точек зрения на вселенную и ее элементы.
Что стоит за темной энергией и что связывает ее с космологической постоянной, введенной Альбертом Эйнштейном? Два физика из Люксембургского университета предлагают способ ответить на эти открытые вопросы в физике.
Вселенная обладает рядом странных свойств, которые трудно понять с помощью повседневного опыта. Например, известная нам материя, состоящая из элементарных и сложных молекул для построения молекул и материи, по-видимому, составляет лишь малую часть энергии Вселенной. Самый большой вклад, около двух третей, приходится натемная энергия— гипотетическая форма энергии, которая до сих пор сбивает с толку физиков-основателей.Более того, Вселенная не только неуклонно расширяется, но и делает это все более быстрыми темпами.
Кажется, что оба свойства связаны, потому что темная энергия Это также считается драйвером ускоренного расширения. Более того, она может объединить две мощные школы физики: квантовую теорию поля и общую теорию относительности, разработанную Альбертом Эйнштейном. Но есть загвоздка: счета и заметки далеко не идентичны. Два люксембургских исследователя показывают новый способ разгадать эту 100-летнюю загадку в исследовательской статье, опубликованной в журнале. Физические обзорные письма.
Эффект виртуальных частиц в вакууме
«Вакуум обладает энергией. Это фундаментальный результат квантовой теории поля», — объясняет профессор теоретической физики кафедры физики и материаловедения Университета Александр Ткаченко. Люксембургский университет. Эта теория была разработана для объединения квантовой механики и специальной теории относительности, но квантовая теория поля оказалась несовместимой с общей теорией относительности. Главное ее преимущество: в отличие от квантовой механики, в теории квантовыми объектами рассматриваются не только частицы, но и сферы, лишенные материи.
«В этих рамках многие исследователи считают темную энергию выражением того, что называется энергией вакуума, — говорит Ткатченко, — физической величины, возникающей в живой форме в результате появления и непрерывного взаимодействия пар частиц и их античастиц — таких как как электроны и позитроны — в том, что есть на самом деле Пустое пространство.
Космический микроволновый фон Планка. Предоставлено: ESA и сотрудничество Planck.
Физики говорят о приходе и уходе виртуальных частиц и их квантовых полей как о флуктуациях в вакууме или нулевой точке. Поскольку пары частиц быстро исчезают в небытии, их присутствие оставляет после себя определенное количество энергии.
Люксембургский ученый отмечает, что «эта энергия вакуума также имеет значение в общей теории относительности»: «Она проявляется в космологической постоянной, которую Эйнштейн включил в свои уравнения по физическим причинам».
Массивное несоответствие
В отличие от энергии вакуума, которую можно вывести только из уравнений квантовой теории поля, космологическую постоянную можно определить непосредственно с помощью астрофизических экспериментов. Измерения с помощью космического телескопа «Хаббл» и космической миссии «Планк» дали близкие и надежные значения фундаментальной физической величины. С другой стороны, расчеты темной энергии, основанные на квантовой теории поля, приводят к результатам, согласующимся со значением космологической постоянной, равным 10120 раз больше — колоссальное противоречие, хотя по господствующему сегодня мировоззрению физиков обе величины должны быть равны. Существующее противоречие вместо этого известно как «загадка космологической постоянной».
«Это, несомненно, одно из величайших противоречий современной науки», — говорит Александр Ткаченко.
Нестандартный способ интерпретации
Вместе с другим люксембургским исследователем, доктором Дмитрием Федоровым, он теперь приблизил разгадку этой тайны, которая оставалась открытой на протяжении десятилетий, сделав важный шаг вперед. В теоретической работе они недавно опубликовали свои результаты в Физические обзорные письмаДва исследователя из Люксембурга предложили новое объяснение темной энергии. Предполагается, что флуктуации нулевой точки вызывают поляризацию вакуума, которую можно измерить и рассчитать.
«В парах виртуальных частиц противоположного электрического заряда они возникают из-за электродинамических сил, которые эти частицы воздействуют друг на друга в течение очень короткого времени своего существования», — объясняет Ткаченко. Физики называют это самодействующим вакуумом. «Это приводит к плотности энергии, которую можно определить с помощью новой модели», — говорит ученый Люксембург.
Вместе с коллегой по работе Федоровым они разработали фундаментальную модель атомов несколько лет назад и впервые представили ее в 2018 году. Первоначально модель использовалась для описания атомных свойств, в частности связи между поляризациями атомов и равновесными свойствами. некоторых нековалентно связанных молекул и твердых тел. Поскольку геометрические свойства очень легко измерить экспериментально, поляризация также может быть определена по их формуле.
«Мы перенесли эту процедуру на операции в вакууме, — поясняет Федоров. С этой целью два исследователя изучили поведение квантовых доменов, в частности представление о «приходе и уходе» электронов и позитронов. Флуктуации этих полей также могут характеризоваться уже известной из экспериментов равновесной геометрией. «Мы вставили ее в формулы нашей модели и таким образом получили окончательно поляризационную силу внутренней пустоты», — говорит Федоров.
Последним шагом был механический расчет плотности энергии самовоздействия между флуктуациями электронов и позитронов. Полученный таким образом результат хорошо согласуется с измеренными значениями космологической постоянной. Это означает: «Темную энергию можно проследить до плотности энергии самодействия квантовых полей», — утверждает Александр Ткаченко.
Неизменные ценности и поддающиеся проверке ожидания
«Таким образом, наша работа предлагает элегантный и нетрадиционный подход к разгадке тайны космологической постоянной», — заключает физик. «Более того, это дает поддающееся проверке предсказание: а именно, что квантовые поля, такие как поля электронов и позитронов, действительно обладают небольшой, но всегда существующей внутренней поляризацией».
Два люксембургских исследователя отмечают, что это открытие указывает путь для будущих экспериментов по обнаружению этой поляризации в лаборатории. «Наша цель — вывести космологическую постоянную на основе строгого подхода квантовой теории», — утверждает Дмитрий Федоров. «И наша работа включает в себя рецепт того, как это реализовать».
Он рассматривает новые результаты, полученные с Александром Ткаченко, как первый шаг к лучшему пониманию темной энергии и ее связи с космологической постоянной Альберта Эйнштейна.
Наконец, Ткатченко убежден: «В конечном счете, это также может пролить свет на то, как переплетаются квантовая теория поля и общая теория относительности как два взгляда на Вселенную и ее компоненты».
Ссылка: «Плотность энергии самодействия Казимира в квантовых электродинамических полях» Александра Ткаченко и Дмитрия Федорова, 24 января 2023 г., доступно здесь. Физические обзорные письма.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
«Писатель. Внештатный исследователь твиттера. Будущий кумир подростков. Заядлый пивной ниндзя».