Der er et grundlæggende problem i fysik.
Et enkelt tal, kaldet den kosmologiske konstant, bygger bro mellem den kvantemekaniske mikroskopiske verden og den makroskopiske verden af Einsteins teori om generel relativitet. Men ingen af teorierne kan være enige om dens værdi.
Faktisk er der så stort forskel mellem den konstaterede værdi af denne konstante og den teori, der forudsiger, at den i vid udstrækning betragtes som den værste forudsigelse i fysikens historie. At løse uoverensstemmelsen er muligvis det vigtigste mål for teoretisk fysik i dette århundrede.
Lucas Lombriser, assisterende professor i teoretisk fysik ved Universitetet i Genève i Schweiz, har introduceret en ny måde at evaluere Albert Einsteins tyngdekvligninger for at finde en værdi for den kosmologiske konstant, der tæt matcher den observerede værdi. Han offentliggjorde sin metode online i 10. oktober-udgaven af tidsskriftet Physics Letters B.
Hvordan Einsteins største bommert blev mørk energi
Historien om den kosmologiske konstant begyndte for mere end et århundrede siden, da Einstein præsenterede et sæt ligninger, nu kendt som Einstein-feltligningerne, der blev rammen for hans teori om generel relativitet. Ligningerne forklarer, hvordan stof og energi forvrider rummet og tidens stof for at skabe tyngdekraften. På det tidspunkt var både Einstein og astronomer enige om, at universet var fast i størrelse, og at det samlede rum mellem galakser ikke ændrede sig. Men når Einstein anvendte generel relativitet på universet som helhed, forudsagde hans teori et ustabilt univers, der enten ville ekspandere eller sammentrække. For at tvinge universet til at være statisk, taklede Einstein den kosmologiske konstant.
Næsten et årti senere opdagede en anden fysiker, Edwin Hubble, at vores univers ikke er statisk, men ekspanderer. Lyset fra fjerne galakser viste, at de alle bevægede sig fra hinanden. Denne åbenbaring overtalte Einstein til at opgive den kosmologiske konstant fra sine feltligninger, da det ikke længere var nødvendigt at forklare et ekspanderende univers. Fysik har det, at Einstein senere erkendte, at hans introduktion af den kosmologiske konstant måske var hans største bommert.
I 1998 viste observationer af fjerne supernovas, at universet ikke bare ekspanderede, men udvidelsen var hurtigere. Galakser accelererede væk fra hinanden, som om en eller anden ukendt styrke overvinde tyngdekraften og skubbede disse galakser fra hinanden. Fysikere har navngivet dette gådefulde fænomen mørk energi, da dens sande natur forbliver et mysterium.
I en vri af ironi genindførte fysikerne igen den kosmologiske konstant i Einsteins feltligninger for at redegøre for mørk energi. I den nuværende standardmodel for kosmologi, kendt som ΛCDM (Lambda CDM), kan den kosmologiske konstant udskiftes med mørk energi. Astronomer har endda estimeret dens værdi baseret på observationer af fjerne supernovas og udsving i den kosmiske mikrobølgebakgrund. Selvom værdien er absurd lille (i størrelsesordenen 10 ^ -52 pr. Kvadratmeter) over universets skala, er den betydelig nok til at forklare den accelererede udvidelse af rummet.
"Den kosmologiske konstant udgør i øjeblikket cirka 70% af energiindholdet i vores univers, hvilket er, hvad vi kan udlede af den observerede accelererede ekspansion, som vores univers i øjeblikket gennemgår. Alligevel er denne konstante ikke forstået," sagde Lombriser. "Forsøg på at forklare det er mislykkedes, og der ser ud til at være noget grundlæggende, som vi mangler i, hvordan vi forstår kosmos. At ophæve dette puslespil er et af de vigtigste forskningsområder i moderne fysik. Det forventes generelt, at løsningen af dette problem kan føre til os til en mere grundlæggende forståelse af fysik. "
Den værste teoretiske forudsigelse i fysikens historie
Den kosmologiske konstant menes at repræsentere det, som fysikere kalder "vakuumenergi." Kvantefeltteori siger, at selv i et helt tomt rumrum, springer virtuelle partikler ind og ud af eksistensen og skaber energi - en tilsyneladende absurd idé, men en, der er blevet observeret eksperimentelt. Problemet opstår, når fysikere forsøger at beregne dets bidrag til den kosmologiske konstant. Deres resultat adskiller sig fra observationer med en forbløffende faktor på 10 ^ 121 (det er 10 efterfulgt af 120 nuller), det største uoverensstemmelse mellem teori og eksperiment i hele fysikken.
En sådan forskel har fået nogle fysikere til at betvivle Einsteins oprindelige tyngdekvligninger; nogle har endda foreslået alternative tyngdekraftsmodeller. Yderligere bevis på gravitationsbølger fra Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) har imidlertid kun styrket den generelle relativitet og afvist mange af disse alternative teorier. Derfor i stedet for at tænke igen på tyngdekraften, tog Lombriser en anden tilgang til at løse dette kosmiske puslespil.
"Mekanismen, jeg foreslår, ændrer ikke Einsteins feltligninger," sagde Lombriser. I stedet tilføjer det "en yderligere ligning oven på Einsteins feltligninger."
Tyngdekonstanten, der først blev brugt i Isaac Newtons tyngdekraftlove og nu en væsentlig del af Einsteins feltligninger, beskriver gravitationsstyrkens størrelse mellem objekter. Det betragtes som en af de grundlæggende konstanter i fysik, evigt uændret siden universets begyndelse. Lombriser har taget den dramatiske antagelse om, at denne konstante kan ændre sig.
I Lombrisers modifikation af generel relativitet forbliver gravitationskonstanten den samme i vores observerbare univers, men kan variere ud over det. Han foreslår et multiversescenarie, hvor der kan være pletter af universet, der er usynlige for, og som har forskellige værdier for de grundlæggende konstanter.
Denne tyngdekraftvariation gav Lombriser en yderligere ligning, der relaterer den kosmologiske konstant til den gennemsnitlige sum af stof over rum-tid. Efter at han redegjorde for den estimerede masse af alle galakser, stjerner og mørke stoffer i universet, kunne han løse den nye ligning for at opnå en ny værdi for den kosmologiske konstant - en der er tæt enig med observationer.
Ved hjælp af en ny parameter ΩΛ (omega lambda), der udtrykker brøkdelen af universet lavet af mørkt stof, fandt han, at universet består af ca. 74% mørk energi. Dette antal stemmer tæt sammen med værdien på 68,5% estimeret fra observationer - en enorm forbedring i forhold til den enorme forskel, som kvantefeltteorien har fundet.
Selvom Lombrisers ramme muligvis løser det kosmologiske konstante problem, er der i øjeblikket ingen måde at teste det på. Men i fremtiden, hvis eksperimenter fra andre teorier validerer hans ligninger, kan det betyde et stort spring i vores forståelse af mørk energi og give et værktøj til at løse andre kosmiske mysterier.
