Det finns ett grundläggande problem i fysiken.
Ett enda nummer, kallad den kosmologiska konstanten, överbryggar den mikroskopiska världen för kvantmekanik och den makroskopiska världen av Einsteins teori om allmän relativitet. Men ingen av teorierna kan komma överens om dess värde.
I själva verket finns det en så stor skillnad mellan det konstaterade värdet på denna konstant och vad teorin förutspår att det allmänt anses vara den värsta förutsägelsen i fysikens historia. Att lösa skillnaden kan vara det viktigaste målet för teoretisk fysik under detta århundrade.
Lucas Lombriser, biträdande professor i teoretisk fysik vid universitetet i Genève i Schweiz, har introducerat ett nytt sätt att utvärdera Albert Einsteins tyngdekvationer för att hitta ett värde för den kosmologiska konstanten som nära matchar dess observerade värde. Han publicerade sin metod online i 10 oktober-numret av tidskriften Physics Letters B.
Hur Einsteins största bommar blev mörk energi
Berättelsen om den kosmologiska konstanten började för mer än hundra år sedan när Einstein presenterade en uppsättning ekvationer, nu känd som Einstein-fältekvationerna, som blev ramen för hans teori om allmän relativitet. Ekvationerna förklarar hur materia och energi vrider rummet och tidens tyg för att skapa tyngdkraften. Vid den tiden var både Einstein och astronomer eniga om att universumet var fixerat i storlek och att det övergripande utrymmet mellan galaxerna inte förändrades. Men när Einstein använde allmän relativitet på universum som helhet, förutspådde hans teori ett instabilt universum som antingen skulle expandera eller sammandragas. För att tvinga universum att vara statiskt, tog Einstein på den kosmologiska konstanten.
Nästan ett decennium senare upptäckte en annan fysiker, Edwin Hubble, att vårt universum inte är statiskt utan expanderar. Ljuset från avlägsna galaxer visade att de alla rörde sig från varandra. Denna uppenbarelse övertalade Einstein att överge den kosmologiska konstanten från sina fältekvationer eftersom det inte längre var nödvändigt att förklara ett expanderande universum. Fysik har gjort att Einstein senare erkände att hans introduktion av den kosmologiska konstanten kanske var hans största bommar.
År 1998 visade observationer av avlägsna supernovor att universum inte bara expanderade, utan expansionen påskyndades. Galaxer accelererade bort från varandra som om någon okänd kraft övervann tyngdkraften och förde galaxerna isär. Fysiker har nämnt detta gåtfulla fenomen mörk energi, eftersom dess sanna natur förblir ett mysterium.
I en vridning av ironi införde fysiker återigen den kosmologiska konstanten i Einsteins fältekvationer för att redogöra för mörk energi. I den nuvarande standardmodellen för kosmologi, känd som ΛCDM (Lambda CDM), är den kosmologiska konstanten utbytbar med mörk energi. Astronomer har till och med uppskattat dess värde baserat på observationer av avlägsna supernovor och fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Även om värdet är absurdt litet (i storleksordningen 10 ^ -52 per kvadratmeter), över universums skala, är det tillräckligt betydande för att förklara den snabbare expansionen av rymden.
"Den kosmologiska konstanten utgör för närvarande cirka 70% av energiinnehållet i vårt universum, vilket är vad vi kan dra från den observerade accelererade expansionen som vårt universum för närvarande genomgår. Men denna konstant förstår inte," sade Lombriser. "Försök att förklara det har misslyckats, och det verkar finnas något grundläggande som vi saknar i hur vi förstår kosmos. Att lossa detta pussel är ett av de viktigaste forskningsområdena i modern fysik. Det förväntas allmänt att lösningen av frågan kan leda oss till en mer grundläggande förståelse av fysik. "
Den värsta teoretiska förutsägelsen i fysikens historia
Den kosmologiska konstanten anses representera vad fysiker kallar "vakuumenergi." Kvantfältsteorin säger att även i ett helt tomt vakuum av rymden dyker virtuella partiklar in och ut ur existensen och skapar energi - en till synes absurd idé, men en som har observerats experimentellt. Problemet uppstår när fysiker försöker beräkna dess bidrag till den kosmologiska konstanten. Deras resultat skiljer sig från iakttagelser av en förväxlande faktor 10 ^ 121 (det är 10 följt av 120 nollor), det största skillnaden mellan teori och experiment i all fysik.
En sådan skillnad har fått vissa fysiker att tvivla på Einsteins ursprungliga tyngdekvationer; vissa har till och med föreslagit alternativa tyngdmodeller. Ytterligare bevis på gravitationsvågor från Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) har dock förstärkt den allmänna relativiteten och avfärdat många av dessa alternativa teorier. Därför ansåg Lombriser, i stället för att tänka om allvar, en annan inställning för att lösa detta kosmiska pussel.
"Mekanismen jag föreslår modifierar inte Einsteins fältekvationer," sade Lombriser. Istället "lägger den till en extra ekvation ovanpå Einsteins fältekvationer."
Gravitationskonstanten, som först användes i Isaac Newtons gravitationslagar och nu en väsentlig del av Einsteins fältekvationer, beskriver gravitationskraften mellan föremål. Det anses vara en av fysiska grundkonstanter, evigt oförändrade sedan universums början. Lombriser har gjort det dramatiska antagandet att denna konstant kan förändras.
I Lombrisers modifiering av allmän relativitet är gravitationskonstanten densamma inom vårt observerbara universum men kan variera bortom den. Han föreslår ett mångfaldsscenario där det kan finnas fläckar av universum osynliga för oss som har olika värden för de grundläggande konstanterna.
Denna tyngdvariation gav Lombriser en ytterligare ekvation som relaterar den kosmologiska konstanten till den genomsnittliga summan av materia över rymdtid. Efter att han redogjorde för den uppskattade massan av alla galaxer, stjärnor och mörka ämnen i universum, kunde han lösa den nya ekvationen för att få ett nytt värde för den kosmologiska konstanten - en som är nära överens med observationerna.
Med hjälp av en ny parameter ΩΛ (omega lambda), som uttrycker bråkdelen av universum som är gjord av mörk materia, fann han att universum består av ungefär 74% mörk energi. Detta antal stämmer nära överens med 68,5% uppskattat från observationer - en enorm förbättring jämfört med den enorma skillnaden som kvantfältteorin hittar.
Även om Lombrisers ramverk kan lösa det kosmologiska konstantproblemet finns det för närvarande inget sätt att testa det. Men i framtiden, om experiment från andra teorier validerar hans ekvationer, kan det betyda ett stort språng i vår förståelse av mörk energi och tillhandahålla ett verktyg för att lösa andra kosmiska mysterier.
