นักฟิสิกส์ค้นพบแนวทางใหม่ในการไขปริศนาพลังงานมืดอันแปลกประหลาด

อะไรอยู่เบื้องหลังพลังงานมืด และอะไรเชื่อมโยงมันกับค่าคงที่ของจักรวาลที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์แนะนำ นักฟิสิกส์สองคนจาก University of Luxembourg ชี้ให้เห็นถึงวิธีการตอบคำถามทางฟิสิกส์เหล่านี้

เอกภพมีคุณสมบัติแปลกประหลาดหลายอย่างที่ยากจะเข้าใจด้วยประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างเช่น สสารที่เรารู้จักซึ่งประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานและอนุภาคประกอบที่สร้างโมเลกุลและวัสดุ ดูเหมือนจะเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของพลังงานของจักรวาล ผลงานที่ใหญ่ที่สุดประมาณสองในสามมาจาก “พลังงานมืด” – พลังงานรูปแบบสมมุติฐานซึ่งนักฟิสิกส์เบื้องหลังยังคงงงงวย ยิ่งกว่านั้น เอกภพไม่เพียงขยายตัวอย่างมั่นคงเท่านั้น แต่ยังขยายตัวอย่างรวดเร็วอีกด้วย

ลักษณะทั้งสองดูเหมือนจะเชื่อมโยงกันเพราะ พลังงานมืด ยังถือเป็นตัวขับเคลื่อนการขยายตัวอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ยังสามารถรวมโรงเรียนแห่งความคิดทางกายภาพที่ทรงพลังสองแห่งเข้าด้วยกันอีกครั้ง: ทฤษฎีสนามควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่พัฒนาโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ แต่มีข้อผิดพลาด: การคำนวณและการสังเกตยังห่างไกลจากการจับคู่ ตอนนี้นักวิจัยสองคนจากลักเซมเบิร์กได้แสดงวิธีใหม่ในการแก้ปัญหาปริศนาอายุ 100 ปีนี้ในบทความที่ตีพิมพ์โดยวารสาร จดหมายทบทวนทางกายภาพ.

เส้นทางของอนุภาคเสมือนในสุญญากาศ

“สุญญากาศมีพลังงาน นี่เป็นผลลัพธ์พื้นฐานของทฤษฎีสนามควอนตัม” ศาสตราจารย์ Alexandre Tkatchenko ศาสตราจารย์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์อธิบาย มหาวิทยาลัยลักเซมเบิร์ก. ทฤษฎีนี้พัฒนาขึ้นเพื่อนำกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมารวมกัน แต่ดูเหมือนว่าทฤษฎีสนามควอนตัมจะไม่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คุณสมบัติที่สำคัญของมัน: ตรงกันข้ามกับกลศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีนี้ไม่ได้พิจารณาเพียงอนุภาคเท่านั้น แต่ยังถือว่าสนามที่ปราศจากสสารเป็นวัตถุควอนตัมด้วย

“ในกรอบนี้ นักวิจัยหลายคนมองว่าพลังงานมืดเป็นการแสดงออกของพลังงานสุญญากาศ” Tkatchenko กล่าว ปริมาณทางกายภาพซึ่งในภาพที่สดใสนั้นเกิดจากการเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและการทำงานร่วมกันของอนุภาคคู่และปฏิปักษ์ของพวกมัน — เช่น อิเล็กตรอนและโพสิตรอน — ในพื้นที่ว่างจริงๆ

นักฟิสิกส์พูดถึงการมาและไปของอนุภาคเสมือนและสนามควอนตัมของพวกมันว่าเป็นสุญญากาศหรือความผันผวนของจุดศูนย์ ในขณะที่คู่ของอนุภาคหายไปอย่างรวดเร็วสู่ความว่างเปล่าอีกครั้ง การดำรงอยู่ของพวกมันได้ทิ้งพลังงานจำนวนหนึ่งไว้เบื้องหลัง

“พลังงานสุญญากาศนี้มีความหมายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปด้วย” นักวิทยาศาสตร์ชาวลักเซมเบิร์กตั้งข้อสังเกตว่า “มันแสดงออกมาในค่าคงที่จักรวาลวิทยาที่ไอน์สไตน์รวมอยู่ในสมการของเขาด้วยเหตุผลทางกายภาพ”

ความไม่ตรงกันอย่างมาก

ซึ่งแตกต่างจากพลังงานสุญญากาศซึ่งสามารถอนุมานได้จากสูตรของทฤษฎีสนามควอนตัมเท่านั้น ค่าคงที่ของจักรวาลสามารถกำหนดได้โดยตรงจากการทดลองทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การวัดด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและภารกิจอวกาศของพลังค์ได้ค่าที่ใกล้เคียงและเชื่อถือได้สำหรับปริมาณพื้นฐานทางกายภาพ ในทางกลับกัน การคำนวณพลังงานมืดตามทฤษฎีสนามควอนตัมกลับให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับค่าคงที่จักรวาลวิทยาที่สูงถึง 10¹²⁰ ใหญ่ขึ้นเป็นเท่าตัว – เป็นความคลาดเคลื่อนที่ใหญ่หลวง แม้ว่าในมุมมองของนักฟิสิกส์ทั่วโลกในปัจจุบัน ค่าทั้งสองควรจะเท่ากัน ความคลาดเคลื่อนที่พบนั้นเรียกว่า “ปริศนาค่าคงตัวของจักรวาล”

Alexandre Tkatchenko กล่าวว่า “มันเป็นหนึ่งในความไม่สอดคล้องกันที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่อย่างไม่ต้องสงสัย

วิธีการตีความที่แปลกใหม่

ร่วมกับเพื่อนร่วมงานวิจัยชาวลักเซมเบิร์ก ดร. ดมิทรี เฟโดรอฟ ตอนนี้เขาได้นำคำตอบของปริศนานี้ซึ่งเปิดมานานหลายทศวรรษแล้ว ซึ่งเข้าใกล้อีกก้าวสำคัญ ในงานทางทฤษฎีซึ่งเป็นผลงานที่เพิ่งเผยแพร่ใน จดหมายทบทวนทางกายภาพนักวิจัยชาวลักเซมเบิร์กทั้งสองเสนอการตีความใหม่ของพลังงานมืด สันนิษฐานว่าความผันผวนของจุดศูนย์นำไปสู่ความสามารถในการเกิดขั้วของสุญญากาศ ซึ่งสามารถวัดและคำนวณได้

Tkatchenko อธิบาย “ในคู่ของอนุภาคเสมือนที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน มันเกิดขึ้นจากแรงทางไฟฟ้าพลศาสตร์ที่อนุภาคเหล่านี้กระทำต่อกันและกันในช่วงเวลาสั้นๆ นักฟิสิกส์เรียกสิ่งนี้ว่าเป็นการปฏิสัมพันธ์ในตัวเองแบบสุญญากาศ “มันนำไปสู่ความหนาแน่นของพลังงานที่สามารถกำหนดได้ด้วยความช่วยเหลือของแบบจำลองใหม่” นักวิทยาศาสตร์ชาวลักเซมเบิร์กกล่าว

ร่วมกับเพื่อนร่วมงานวิจัยของเขา Fedorov พวกเขาได้พัฒนาแบบจำลองพื้นฐานสำหรับอะตอมเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา และนำเสนอเป็นครั้งแรกในปี 2018 เดิมทีแบบจำลองนี้ใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติของอะตอม โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสัมพันธ์ระหว่างความสามารถในการเกิดขั้วของอะตอมกับคุณสมบัติสมดุล ของโมเลกุลและของแข็งบางชนิดที่ไม่มีพันธะโควาเลนต์ เนื่องจากคุณลักษณะทางเรขาคณิตค่อนข้างง่ายในการวัดในเชิงทดลอง ความสามารถในการโพลาไรเซชันจึงสามารถกำหนดได้ด้วยสูตรของมัน

“เราถ่ายโอนขั้นตอนนี้ไปยังกระบวนการในสุญญากาศ” Fedorov อธิบาย ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยทั้งสองจึงพิจารณาพฤติกรรมของสนามควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแสดง “การมาและไป” ของอิเล็กตรอนและโพสิตรอน ความผันผวนของสนามเหล่านี้สามารถกำหนดลักษณะได้ด้วยรูปทรงเรขาคณิตสมดุลซึ่งทราบกันดีอยู่แล้วจากการทดลอง “เราใส่มันเข้าไปในสูตรของแบบจำลองของเรา และด้วยวิธีนี้ ทำให้ได้รับความแข็งแกร่งของโพลาไรเซชันสุญญากาศภายในในที่สุด” Fedorov รายงาน

ขั้นตอนสุดท้ายคือการคำนวณเชิงควอนตัมความหนาแน่นของพลังงานของการโต้ตอบระหว่างตัวเองระหว่างความผันผวนของอิเล็กตรอนและโพสิตรอน ผลลัพธ์ที่ได้ด้วยวิธีนี้สอดคล้องกับค่าที่วัดได้สำหรับค่าคงที่จักรวาลวิทยา ซึ่งหมายความว่า: “พลังงานมืดสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังความหนาแน่นของพลังงานของการโต้ตอบในตัวเองของสนามควอนตัม” Alexandre Tkatchenko เน้นย้ำ

ค่าที่สอดคล้องกันและการคาดการณ์ที่ตรวจสอบได้

“ผลงานของเราจึงนำเสนอวิธีการที่สง่างามและแหวกแนวในการไขปริศนาของค่าคงที่จักรวาลวิทยา” สรุปโดยนักฟิสิกส์ “ยิ่งไปกว่านั้น มันให้คำทำนายที่ตรวจสอบได้ กล่าวคือ สนามควอนตัม เช่น สนามของอิเล็กตรอนและโพซิตรอนนั้นมีโพลาไรเซชันภายในเพียงเล็กน้อยแต่มีอยู่จริง”

การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นถึงแนวทางสำหรับการทดลองในอนาคตเพื่อตรวจหาโพลาไรเซชันนี้ในห้องปฏิบัติการเช่นกัน นักวิจัยชาวลักเซมเบิร์กสองคนกล่าว “เป้าหมายของเราคือการได้มาซึ่งค่าคงที่ของจักรวาลวิทยาจากแนวทางทฤษฎีควอนตัมที่เคร่งครัด” Dmitry Fedorov เน้นย้ำ “และงานของเรามีสูตรในการตระหนักถึงสิ่งนี้”

เขามองว่าผลลัพธ์ใหม่ที่ได้รับร่วมกับอเล็กซานเดร ทแคตเชนโกเป็นก้าวแรกสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับพลังงานมืด และความเชื่อมโยงกับค่าคงที่จักรวาลวิทยาของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

ในที่สุด Tkatchenko ก็เชื่อมั่นว่า: “ในท้ายที่สุด สิ่งนี้สามารถชี้ให้เห็นถึงแนวทางที่ทฤษฎีสนามควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเชื่อมโยงกันเป็นสองวิธีในการมองจักรวาลและส่วนประกอบต่างๆ ของมัน”

เอกสารอ้างอิง: “Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields” โดย Alexandre Tkatchenko และ Dmitry V. Fedorov, 24 มกราคม 2023, จดหมายทบทวนทางกายภาพ.
ดอย: 10.1103/PhysRevLett.130.041601