Natuurkundigen ontdekken een nieuwe manier om het vreemde mysterie van donkere energie op te lossen

Wat zit er achter donkere energie – en wat verbindt het met de kosmologische constante geïntroduceerd door Albert Einstein? Twee natuurkundigen van de Universiteit van Luxemburg wijzen op een manier om deze open vragen in de natuurkunde te beantwoorden.

Het universum heeft een aantal vreemde eigenschappen die door de dagelijkse ervaring moeilijk te begrijpen zijn. De materie die we kennen, bijvoorbeeld, die is opgebouwd uit elementaire en samengestelde deeltjes die zijn opgebouwd uit moleculen en materie, maakt blijkbaar maar een klein deel uit van de energie van het universum. De grootste bijdrage, ongeveer tweederde, komt vandonkere energie– een hypothetische vorm van energie waarvan de achtergrondfysici nog steeds verbijsterd zijn.Bovendien dijt het heelal niet alleen gestaag uit, maar ook steeds sneller.

Het lijkt erop dat beide eigenschappen gerelateerd zijn, omdat donkere energie Het wordt ook beschouwd als een aanjager van versnelde expansie. Bovendien kan het twee krachtige natuurkundige stromingen verenigen: kwantumveldentheorie en de algemene relativiteitstheorie ontwikkeld door Albert Einstein. Maar er is een addertje onder het gras: de rekeningen en notities zijn verre van identiek. Twee Luxemburgse onderzoekers laten een nieuwe manier zien om dit 100 jaar oude mysterie op te lossen in een onderzoeksartikel dat door het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven.

Het effect van virtuele deeltjes in een vacuüm

“Vacuüm heeft energie. Dit is een fundamenteel resultaat van de kwantumveldentheorie”, legt professor Alexander Tkachenko uit, hoogleraar theoretische fysica bij de afdeling Fysica en Materiaalwetenschappen van Universiteit van Luxemburg. Deze theorie is ontwikkeld om de kwantummechanica en de speciale relativiteitstheorie te combineren, maar de kwantumveldentheorie lijkt onverenigbaar met de algemene relativiteitstheorie. Het belangrijkste voordeel: in tegenstelling tot de kwantummechanica beschouwt de theorie niet alleen deeltjes, maar ook bollen zonder materie als kwantumobjecten.

“Binnen dit kader beschouwen veel onderzoekers donkere energie als een uitdrukking van wat vacuümenergie wordt genoemd”, zegt Tkatchenko, een fysieke grootheid die in levende vorm voortvloeit uit het verschijnen en de voortdurende interactie van deeltjesparen en hun antideeltjes – zoals als elektronen en positronen – in wat in werkelijkheid Lege ruimte is.

De kosmische microgolfachtergrond van Planck. Krediet: samenwerking tussen ESA en Planck

Natuurkundigen spreken over het komen en gaan van virtuele deeltjes en hun kwantumvelden als fluctuaties in een vacuüm of nulpunt. Terwijl deeltjesparen snel weer verdwijnen in het niets, laat hun aanwezigheid een bepaalde hoeveelheid energie achter.

De Luxemburgse wetenschapper merkt op dat “deze vacuümenergie ook een betekenis heeft in de algemene relativiteitstheorie”: “Het manifesteert zich in de kosmologische constante die Einstein om natuurkundige redenen in zijn vergelijkingen opnam.”

Enorme mismatch

In tegenstelling tot de energie van een vacuüm, die alleen kan worden afgeleid uit de vergelijkingen van de kwantumveldentheorie, kan de kosmologische constante direct worden bepaald door astrofysische experimenten. Metingen met de Hubble-ruimtetelescoop en de Planck-ruimtemissie hebben nauwkeurige en betrouwbare waarden opgeleverd voor de fundamentele fysieke grootheid. Aan de andere kant leiden donkere energieberekeningen op basis van kwantumveldentheorie tot resultaten die consistent zijn met de waarde van de kosmologische constante die 10 is¹²⁰ keer groter – een kolossale discrepantie, hoewel volgens de heersende opvatting van natuurkundigen vandaag beide waarden gelijk zouden moeten zijn. De tegenstelling die bestaat, staat in plaats daarvan bekend als het “raadsel van de kosmologische constante”.

“Het is zonder twijfel een van de grootste tegenstellingen in de moderne wetenschap”, zegt Alexander Tkachenko.

Onconventionele manier van interpreteren

Samen met collega-Luxemburgse onderzoeker dr. Dmitry Fedorov heeft hij nu de oplossing van dit mysterie, dat al decennia open is, een belangrijke stap dichterbij gebracht. In een theoretisch werk publiceerden ze onlangs hun resultaten in Fysieke beoordelingsbrievenDe twee onderzoekers in Luxemburg stelden een nieuwe verklaring voor donkere energie voor. Aangenomen wordt dat nulpuntfluctuaties resulteren in vacuümpolarisatie, die kan worden gemeten en berekend.

“In paren van virtuele deeltjes met tegengestelde elektrische lading komen ze voort uit de elektrodynamische krachten die deze deeltjes tijdens hun zeer korte bestaan ​​op elkaar uitoefenen”, legt Tkachenko uit. Natuurkundigen noemen dit een zelfinteractief vacuüm. “Het leidt tot een energiedichtheid die kan worden bepaald met behulp van een nieuw model”, zegt wetenschapper Luxembourg.

Samen met onderzoekscollega Fedorov ontwikkelden zij enkele jaren geleden het fundamentele model van atomen en presenteerden het in 2018 voor het eerst. Het model werd oorspronkelijk gebruikt om atomaire eigenschappen te beschrijven, met name de relatie tussen de polarisaties van atomen en de evenwichtseigenschappen. van sommige niet-covalent gebonden moleculen en vaste stoffen. Omdat het heel gemakkelijk is om geometrische eigenschappen experimenteel te meten, kan polarisatie ook worden bepaald aan de hand van hun formule.

“We hebben deze procedure overgebracht naar operaties in een vacuüm”, legt Fedorov uit. Daartoe keken de twee onderzoekers naar het gedrag van kwantumdomeinen, met name de weergave van het “komen en gaan” van elektronen en positronen. Fluctuaties van deze velden kunnen ook worden gekarakteriseerd door een evenwichtsgeometrie die al bekend is uit experimenten. “We hebben het in de formules van ons model ingevoegd en op deze manier hebben we uiteindelijk de polarisatiekracht van de innerlijke leegte verkregen”, zegt Fedorov.

De laatste stap was toen het mechanisch berekenen van de energiedichtheid van de zelfinteractie tussen fluctuaties van elektronen en positronen. Het zo verkregen resultaat komt goed overeen met de gemeten waarden van de kosmologische constante. Dit betekent: “Donkere energie is terug te voeren op de energiedichtheid van de zelfinteractie van kwantumvelden”, stelt Alexander Tkachenko.

Consistente waarden en verifieerbare verwachtingen

“Ons werk biedt dus een elegante en onconventionele benadering om het mysterie van de kosmologische constante op te lossen”, concludeert de natuurkundige. “Bovendien biedt het een verifieerbare voorspelling: namelijk dat kwantumvelden zoals die van elektronen en positronen inderdaad een kleine maar altijd aanwezige intrinsieke polarisatie bezitten.”

Deze bevinding wijst de weg voor toekomstige experimenten om deze polarisatie ook in het laboratorium te detecteren, zeggen de twee in Luxemburg gevestigde onderzoekers. “Ons doel is om de kosmologische constante af te leiden uit een rigoureuze kwantumtheorie”, stelt Dmitry Fedorov. “En ons werk bevat een recept om dat te realiseren.”

Hij ziet de nieuwe resultaten die zijn verkregen met Alexander Tkachenko als de eerste stap naar een beter begrip van donkere energie – en de relatie ervan met de kosmologische constante van Albert Einstein.

Ten slotte is Tkatchenko overtuigd: “Uiteindelijk kan dit ook licht werpen op de manier waarop kwantumveldentheorie en algemene relativiteitstheorie met elkaar verweven zijn als twee manieren om naar het universum en zijn componenten te kijken.”

Referentie: “Casimir zelfinteractie energiedichtheid in kwantumelektrodynamische velden” door Alexander Tkachenko en Dmitry V. Fedorov, 24 januari 2023 Hier beschikbaar. Fysieke beoordelingsbrieven.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601