Η «μεγαλύτερη αμηχανία του Αϊνστάιν» μπορεί να έχει τερματιστεί τελικά. 'Einstein's Biggest Blunder' May Have Finally Been Fixed

Μια απεικόνιση γαλαξιών που καμπυλώνουν τον ιστό του χωροχρόνου (πράσινο) και την ομαλή επίδραση της σκοτεινής ενέργειας (μωβ), η οποία κυριαρχεί στα αποτελέσματα της βαρύτητας. The cosmological constant has plagued physicists for more than a century. An illustration of galaxies bending the fabric of space-time (green), and the smooth effect of dark energy (purple), which dominates the effects of gravity. (Image: © NASA/JPL-Caltech)

Υπάρχει ένα θεμελιώδες πρόβλημα στη φυσική. Η κοσμολογική σταθερά λ μαστίζει τους φυσικούς για περισσότερο από έναν αιώνα. Η κοσμολογική σταθερά γεφυρώνει τον μικροσκοπικό κόσμο της κβαντικής μηχανικής και τον μακροσκοπικό κόσμο της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά ούτε η θεωρία μπορεί να συμφωνήσει στην τιμή της. Στην πραγματικότητα, υπάρχει μια τεράστια διαφορά μεταξύ της παρατηρούμενης τιμής αυτής της σταθεράς και της θεωρίας, που θεωρείται ευρέως σαν την χειρότερη πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής. Η επίλυση της διαφοράς μπορεί να είναι ο σημαντικότερος στόχος της θεωρητικής φυσικής αυτού του αιώνα.

Ο Lucas Lombriser, επίκουρος καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, εισήγαγε έναν νέο τρόπο αξιολόγησης των εξισώσεων βαρύτητας του Albert Einstein για να βρει μια για την τιμή της κοσμολογική σταθερά που ταιριάζει απόλυτα με την παρατηρούμενη τιμή.  Και τον δημοσίευσε στο περιοδικό Physics Letters Β.

Πώς το μεγαλύτερο σφάλμα του Αϊνστάιν έγινε σκοτεινή ενέργεια

What is this mysterious number in the einstein equations? What does it represent? What is it's history?

Η ιστορία της κοσμολογικής σταθεράς ξεκίνησε πριν από περισσότερο από έναν αιώνα, όταν ο Αϊνστάιν παρουσίασε ένα σύνολο εξισώσεων, τώρα γνωστών ως εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, που έγιναν το πλαίσιο της θεωρίας του γενικής σχετικότητας. Οι εξισώσεις εξηγούν πώς η ύλη και η ενέργεια λυγίζουν τον ιστό του χώρου και του χρόνου για να δημιουργήσουν τη δύναμη της βαρύτητας. Τότε, τόσο ο Αϊνστάιν όσο και οι αστρονόμοι συμφώνησαν ότι το σύμπαν ήταν σταθερό σε μέγεθος και ότι ο συνολικός χώρος μεταξύ των γαλαξιών δεν άλλαξε. Ωστόσο, όταν ο Αϊνστάιν εφάρμοσε τη γενική σχετικότητα στο σύμπαν στο σύνολό του, η θεωρία του προέβλεπε ένα ασταθές σύμπαν που είτε θα έπρεπε να διαστέλλεται είτε θα συρρικνωθεί. Για να αναγκάσει το σύμπαν να είναι στατικό, ο Αϊνστάιν πρόσθεσε την κοσμολογική σταθερά.

Σχεδόν μια δεκαετία αργότερα, ένας άλλος φυσικός, ο Edwin Hubble, ανακάλυψε ότι το σύμπαν μας δεν είναι στατικό αλλά επεκτείνεται. Το φως που έρχεται από τους μακρινούς γαλαξίες έδειξε ότι όλοι απομακρυνόταν το ένα από το άλλο. Αυτή η αποκάλυψη έπεισε τον Αϊνστάιν να εγκαταλείψει την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις του πεδίου, καθώς δεν ήταν πλέον απαραίτητο να εξηγεί κανείς ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Μάλιστα ο Αϊνστάιν αργότερα ομολόγησε ότι η εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς ήταν ίσως το μεγαλύτερό του σφάλμα.

Το 1998, οι παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβα έδειξαν ότι το σύμπαν δεν επεκτάθηκε μόνο, αλλά επεκτείνεται με επιτάχυνση. Οι γαλαξίες επιταχύνθηκαν μακριά ο ένας από τον άλλο ως κάποια άγνωστη δύναμη να ξεπερνά τη βαρύτητα και να αναγκάζει να απομακρύνονται οι γαλαξίες. Οι φυσικοί έχουν ονομάσει αυτό το αινιγματικό φαινόμενο σκοτεινή ενέργεια, καθώς η πραγματική της φύση παραμένει ένα μυστήριο.

Σαν ειρωνεία, οι φυσικοί ξανά εισήγαγαν την κοσμολογική σταθερά στις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν για να εξηγήσουν την σκοτεινή ενέργεια. Στο τρέχον πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας, γνωστό ως ΛCDM (Lambda CDM), η κοσμολογική σταθερά είναι εναλλάξιμη με τη σκοτεινή ενέργεια. Οι αστρονόμοι εκτιμούσαν ακόμη και την τιμή της με βάση τις παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβα και τις διακυμάνσεις στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο. Αν και η τιμή είναι παράλογη μικρή (της τάξης των 10 ^ -52 ανά τετραγωνικό μέτρο), σε όλη την κλίμακα του σύμπαντος, είναι αρκετά σημαντική για να εξηγήσει την επιταχυνόμενη διαστολή του χώρου.

Diagram representing the accelerated expansion of the universe due to dark energy.

«Η κοσμολογική σταθερά [ή η σκοτεινή ενέργεια] αποτελεί επί του παρόντος περίπου το 70% του ενεργειακού περιεχομένου στο σύμπαν μας, το οποίο μπορούμε να συμπεράνουμε από την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή που υφίσταται σήμερα το σύμπαν μας» λέει ο Lombriser. «Οι προσπάθειες να εξηγηθεί αυτή η τιμή έχουν αποτύχει και φαίνεται ότι υπάρχει κάτι θεμελιώδες που λείπει από το πώς καταλαβαίνουμε τον Κόσμο. Η εξάπλωση αυτού του παζλ είναι ένας από τους σημαντικότερους ερευνητικούς τομείς της σύγχρονης φυσικής. Είναι γενικά αναμενόμενο ότι η επίλυση του θέματος μπορεί να οδηγήσει μας σε μια πιο θεμελιώδη κατανόηση της φυσικής.»

Η χειρότερη θεωρητική πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής

Ομιλία που έγινε από τον Δρα Κωνσταντίνο Γουργουλιάτο, ερευνητή του Πανεπιστημίου McGill. Η ομιλία είχε τίτλο «Γιατί ο Αϊνστάιν είχε για μια ακόμη φορά δίκιο. Οι Ανατροπές στην Κοσμολογία την τελευταία δεκαετία».

Η κοσμολογική σταθερά θεωρείται ότι αντιπροσωπεύει αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν «ενέργεια κενού». Η θεωρία του κβαντικού πεδίου δηλώνει ότι ακόμη και σε ένα εντελώς άδειο κενό χώρο, τα εικονικά σωματίδια γεννιούνται και πεθαίνουν και δημιουργούν ενέργεια – μια φαινομενικά παράλογη ιδέα, αλλά έχει παρατηρηθεί πειραματικά. Το πρόβλημα προκύπτει όταν οι φυσικοί επιχειρούν να υπολογίσουν τη συμβολή τους στην κοσμολογική σταθερά λ. Το αποτέλεσμά τους διαφέρει από τις παρατηρήσεις κατά ένα  παράγοντα 10 ^ 121 (το 10 ακολουθούμενο από 120 μηδενικά), τη μεγαλύτερη απόκλιση μεταξύ θεωρίας και πειράματος σε ολόκληρη τη φυσική.

Μια τέτοια διαφορά έχει προκαλέσει ορισμένους φυσικούς να αμφισβητήσουν τις αρχικές εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν. Ορισμένοι έχουν προτείνει ακόμη εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας. Ωστόσο, περαιτέρω στοιχεία των βαρυτικών κυμάτων από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων ( LIGO ) έχουν ισχυροποιήσει τη γενική σχετικότητα και απορρίπτουν πολλές από αυτές τις εναλλακτικές θεωρίες. Για το λόγο αυτό, αντί να επανεξετάσει τη βαρύτητα, ο Lombriser υιοθέτησε μια διαφορετική προσέγγιση για να λύσει αυτό το κοσμικό παζλ.

«Ο μηχανισμός που προτείνω δεν τροποποιεί τις εξισώσεις πεδίου του Einstein», δήλωσε ο Lombriser. Αντ‘ αυτού, «προσθέτει μια επιπλέον εξίσωση στην κορυφή των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν».

Η σταθερά βαρύτητας G, η οποία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στους νόμους βαρύτητας του Isaac Newton και τώρα είναι ένα ουσιαστικό μέρος των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν, περιγράφει το μέγεθος της βαρυτικής δύναμης μεταξύ των αντικειμένων. Θεωρείται μία από τις θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής, αιώνια αμετάβλητες από την αρχή του σύμπαντος. Ο Lombriser έχει κάνει τη δραματική υπόθεση ότι αυτή η σταθερά μπορεί να αλλάξει.

Στην τροποποίηση της γενικής σχετικότητας του Lombriser, η σταθερά βαρύτητας παραμένει η ίδια στο παρατηρούμενο σύμπαν μας, αλλά μπορεί να διαφέρει πέρα ​​από αυτό το παρατηρούμενο σύμπαν. Προτείνει δε ένα σενάρια πολλαπλών παραγόντων όπου μπορεί να υπάρχουν αδιαφανή κομμάτια του σύμπαντος για εμάς, και που να έχουν διαφορετικές τιμές για τις θεμελιώδεις σταθερές.

Αυτή η διακύμανση της βαρύτητας έδωσε στον Lombriser μια επιπλέον εξίσωση που συνδέει την κοσμολογική σταθερά λ με το μέσο άθροισμα της ύλης κατά τη διάρκεια του χωροχρόνου. Αφού αντιπροσώπευε την εκτιμώμενη μάζα όλων των γαλαξιών, των αστεριών και της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος, θα μπορούσε να λύσει κάποιος αυτή τη νέα εξίσωση για να αποκτήσει μια νέα τιμή για την κοσμολογική σταθερά – αυτή που συμφωνεί στενά με τις παρατηρήσεις.

Χρησιμοποιώντας μια νέα παράμετρο, ΩΛ (ωμέγα λάμδα), που εκφράζει το κλάσμα του σύμπαντος φτιαγμένο από σκοτεινή ύλη, βρήκε ότι το σύμπαν αποτελείται από περίπου 74% σκοτεινή ενέργεια. Αυτός ο αριθμός προσεγγίζει την τιμή του 68,5% που υπολογίζεται από τις παρατηρήσεις – μια τεράστια βελτίωση σε σχέση με την τεράστια ανισότητα που διαπιστώνεται από τη θεωρία του κβαντικού πεδίου.

Παρόλο που το πλαίσιο του Lombriser μπορεί να λύσει το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθερότητας, δεν υπάρχει τρόπος να το δοκιμάσουμε. Αλλά στο μέλλον, αν πειράματα από άλλες θεωρίες επικυρώσουν τις εξισώσεις του, θα μπορούσε να σημαίνει ένα σημαντικό άλμα στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και να προσφέρει  ένα εργαλείο για την επίλυση άλλων κοσμικών μυστηρίων.

Πηγές: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269319305088#br0020 - https://www.livescience.com/solution-to-worst-prediction-in-physics.html - https://physics4u.wordpress.com/2019/09/07/