物理学者は、暗黒エネルギーの奇妙な謎を解決する新しい方法を発見します

暗黒エネルギーの背後には何がありますか?そして、アルバート・アインシュタインによって導入された宇宙定数とそれを結びつけるものは何ですか? ルクセンブルグ大学の 2 人の物理学者が、物理学におけるこれらの未解決の問題に答える方法を指摘しています。

宇宙には、日常の体験では理解しにくい不思議な性質が数多くあります。 たとえば、私たちが知っている物質は、分子と物質を構成する素分子と化合物分子で構成されており、宇宙のエネルギーのほんの一部を構成しているようです。 最大の貢献、約 3 分の 2 は、暗黒エネルギー– 背景の物理学者が未だに困惑している仮説上のエネルギー形態. さらに, 宇宙は着実に膨張しているだけでなく, より速いペースで膨張している.

両方のプロパティが関連しているようです。 暗黒エネルギー また、拡大を加速させる要因とも考えられています。 さらに、場の量子論とアルバート アインシュタインによって開発された一般相対性理論という 2 つの強力な物理学派を統合することもできます。 しかし、落とし穴があります。アカウントとメモはまったく同じではありません。 ルクセンブルグの 2 人の研究者が、この 100 年の謎を解く新しい方法を、同誌が発表した研究論文で示しています。 フィジカルレビューレター.

真空中の仮想粒子の効果

「真空にはエネルギーがあります。これは場の量子論の基本的な結果です」 ルクセンブルク大学. この理論は、量子力学と特殊相対性理論を組み合わせるために開発されましたが、場の量子論は一般相対性理論と両立しないようです。 その主な利点: 量子力学とは異なり、理論は粒子だけでなく、物質を欠いた球体も量子オブジェクトと見なします。

「この枠組みの中で、多くの研究者は暗黒エネルギーをいわゆる真空エネルギーの表現であると考えています」とTkatchenkoは言います.電子と陽電子として — 実際には空の空間です。

プランクの宇宙マイクロ波背景放射。 クレジット: ESA と Planck のコラボレーション

物理学者は、仮想粒子とその量子場の出入りを、真空またはゼロ点でのゆらぎとして話します。 粒子のペアが急速に消えると、それらの存在は一定量のエネルギーを残します。

ルクセンブルグの科学者は、「この真空エネルギーは一般相対性理論においても意味を持っている」と述べています。

大規模なミスマッチ

場の量子論の方程式からのみ推定できる真空のエネルギーとは異なり、宇宙定数は天体物理学の実験によって直接決定できます。 ハッブル宇宙望遠鏡とプランク宇宙ミッションでの測定により、基本的な物理量に近い信頼できる値が得られました。 一方、場の量子論に基づく暗黒エネルギー計算は、宇宙定数の値が10であることと一致する結果を導きます。¹²⁰ 倍大きい – 巨大な矛盾ですが、今日普及している物理学者の世界観によれば、両方の値は等しくなければなりません。 存在する矛盾は、代わりに「宇宙定数の謎」として知られています。

「これは間違いなく、現代科学における最大の矛盾の 1 つです」とアレクサンダー・トカチェンコは言います。

型にはまらない解釈の仕方

仲間のルクセンブルグの研究者であるドミトリー・フェドロフ博士と共に、彼は今、この謎に何十年も未解決のままだった解決策をもたらし、重要な一歩に近づいた. 理論的な研究で、彼らは最近、その結果を フィジカルレビューレタールクセンブルグの 2 人の研究者は、暗黒エネルギーの新しい説明を提案しました。 ゼロ点変動は、測定および計算可能な真空分極をもたらすと想定されます。

「反対の電荷を持つ仮想粒子のペアは、これらの粒子が存在する非常に短い時間の間に互いに及ぼす電気力学的な力から生じます」と Tkachenko は説明します。 物理学者はこれを自己相互作用真空と呼んでいます。 「これは、新しいモデルの助けを借りて決定できるエネルギー密度につながります」と科学者のルクセンブルグは言います。

研究仲間の Fedorov と共に、彼らは数年前に原子の基本モデルを開発し、2018 年に初めて発表しました。このモデルはもともと、原子の特性、特に原子の分極と平衡特性との関係を記述するために使用されました。いくつかの非共有結合分子および固体の。 幾何学的特性を実験的に測定することは非常に簡単であるため、分極もその式によって決定できます。

「私たちはこの手順を真空状態での運用に移しました」と Fedorov は説明します。 この目的のために、2 人の研究者は、量子ドメインの挙動、特に電子と陽電子の「行き来」の表現に注目しました。 これらのフィールドの変動は、実験から既に知られている平衡ジオメトリによっても特徴付けることができます。 「私たちはそれをモデルの式に挿入し、このようにして最終的に内部空隙の分極力を得ました」と Fedorov は言います。

最後のステップは、電子と陽電子のゆらぎの間の自己相互作用のエネルギー密度を機械的に計算することでした。 このようにして得られた結果は、宇宙定数の測定値とよく一致しています。 これは、「暗黒エネルギーは、量子場の自己相互作用のエネルギー密度にまでさかのぼることができる」ことを意味します、とアレクサンダー・トカチェンコは断言します。

一貫した価値と検証可能な期待

「このように、私たちの研究は、宇宙定数の謎を解くためのエレガントで型にはまらないアプローチを提供します」と物理学者は結論付けています。 「さらに、それは検証可能な予測を提供します。つまり、電子や陽電子の量子場などの量子場は、小さいながらも常に存在する固有の分極を実際に持っているということです。」

この発見は、実験室でもこの分極を検出するための将来の実験への道を示していると、ルクセンブルグを拠点とする 2 人の研究者は述べています。 「私たちの目標は、厳密な量子論のアプローチから宇宙定数を導き出すことです」とドミトリー・フェドロフは断言します。 「そして私たちの仕事には、それを実現するためのレシピが含まれています。」

彼は、アレクサンダー トカチェンコで得られた新しい結果を、暗黒エネルギーと、アルバート アインシュタインの宇宙定数との関係をよりよく理解するための第一歩と考えています。

最後に、Tkatchenko 氏は次のように確信しています。

参照: 「量子電磁場におけるカシミール自己相互作用エネルギー密度」、アレクサンドル・トカチェンコとドミトリー・フェドロフ、2023 年 1 月 24 日、こちらから入手可能。 フィジカルレビューレター.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601