Физики нашли новый способ разгадать странную тайну темной энергии

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 составных частиц, состоящих из 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 вызывает недоумение у физиков-основателей. Более того, Вселенная не только постоянно 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: сотрудничество ESA и 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 несоответствие, хотя по господствующему сегодня мнению физиков обе величины должны быть равны. Существующее противоречие вместо этого известно как «загадка космологической постоянной».

«Это, без сомнения, 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 это действие на операции в вакууме, — поясняет Федоров. С этой целью два исследователя рассмотрели 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».

Это открытие указывает путь для будущих экспериментов по обнаружению этой поляризации в лаборатории, говорят два исследователя из Люксембурга. «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