هناك مشكلة أساسية في الفيزياء.
رقم واحد ، يسمى الثابت الكوني ، يربط العالم المجهري لميكانيكا الكم والعالم المجهري لنظرية النسبية العامة لأينشتاين. لكن لا يمكن لأي من النظريتين الاتفاق على قيمته.
في الواقع ، هناك مثل هذا التناقض الكبير بين القيمة الملحوظة لهذا الثابت وبين النظرية التي تتوقع أنه يعتبر على نطاق واسع أسوأ التنبؤ في تاريخ الفيزياء. قد يكون حل التباين أهم هدف للفيزياء النظرية في هذا القرن.
قدم لوكاس لومبريسير ، أستاذ مساعد في الفيزياء النظرية في جامعة جنيف في سويسرا ، طريقة جديدة لتقييم معادلات ألبرت أينشتاين للجاذبية لإيجاد قيمة للثابت الكوني الذي يطابق قيمته الملحوظة. نشر طريقته على الإنترنت في عدد 10 أكتوبر من مجلة Physics Letters B.
كيف أصبح أكبر خطأ آينشتاين الطاقة المظلمة
بدأت قصة الثابت الكوني قبل أكثر من قرن عندما قدم أينشتاين مجموعة من المعادلات ، المعروفة الآن باسم معادلات حقل أينشتاين ، التي أصبحت إطار نظريته للنسبية العامة. توضح المعادلات كيف تشوه المادة والطاقة نسيج المكان والزمان لخلق قوة الجاذبية. في ذلك الوقت ، اتفق آينشتاين وعلماء الفلك على أن الكون ثابت في الحجم وأن الفضاء الكلي بين المجرات لم يتغير. ومع ذلك ، عندما طبق أينشتاين النسبية العامة للكون ككل ، توقعت نظريته كونًا غير مستقر من شأنه أن يتوسع أو يتقلص. لإجبار الكون على أن يكون ساكنًا ، تناول آينشتاين الثابت الكوني.
بعد ما يقرب من عقد من الزمان ، اكتشف فيزيائي آخر ، إدوين هابل ، أن كوننا ليس ثابتًا ، بل يتوسع. أظهر الضوء من المجرات البعيدة أنها كانت تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض. أقنع هذا الوحي آينشتاين بالتخلي عن الثابت الكوني من معادلاته الميدانية حيث لم يعد من الضروري تفسير الكون المتوسع. تقاليد الفيزياء أن آينشتاين اعترف لاحقًا بأن تقديمه للثابت الكوني ربما كان أكبر خطأ له.
في عام 1998 ، أظهرت ملاحظات المستعرات الأعظمية البعيدة أن الكون لم يكن يتمدد فقط ، ولكن التوسع كان يتسارع. كانت المجرات تتسارع بعيدًا عن بعضها البعض كما لو أن بعض القوة غير المعروفة كانت تتغلب على الجاذبية وتدفع تلك المجرات عن بعضها البعض. أطلق الفيزيائيون على هذه الظاهرة الغامضة الطاقة المظلمة ، حيث لا تزال طبيعتها الحقيقية لغزا.
في تطور مثير للسخرية ، أعاد الفيزيائيون مرة أخرى الثابت الكوني إلى معادلات حقل أينشتاين لتفسير الطاقة المظلمة. في النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات ، المعروف باسم ΛCDM (Lambda CDM) ، يكون الثابت الكوني قابل للتبادل مع الطاقة المظلمة. حتى أن الفلكيين قدروا قيمته بناءً على ملاحظات السوبرنوفا البعيدة والتقلبات في الخلفية الميكروية الكونية. على الرغم من أن القيمة صغيرة بشكل غير معقول (بترتيب 10 ^ -52 لكل متر مربع) ، على مقياس الكون ، فهي مهمة بما يكفي لشرح التوسع المتسارع للفضاء.
وقال لومبريسير "الثابت الكوني يشكل حاليًا حوالي 70٪ من محتوى الطاقة في كوننا ، وهو ما يمكننا أن نستنتجه من التمدد المتسارع الملحوظ الذي يمر به كوننا حاليًا. ومع ذلك فإن هذا الثابت غير مفهوم". "لقد فشلت محاولات تفسير ذلك ، ويبدو أن هناك شيئًا أساسيًا نفتقده في كيفية فهمنا للكون. إن كشف هذا اللغز هو أحد مجالات البحث الرئيسية في الفيزياء الحديثة. ومن المتوقع بشكل عام أن حل المشكلة قد يؤدي إلى إلى فهم أساسي للفيزياء ".
أسوأ التنبؤ النظري في تاريخ الفيزياء
يعتقد أن الثابت الكوني يمثل ما يسميه الفيزيائيون "طاقة الفراغ". تنص نظرية المجال الكمومي على أنه حتى في فراغ فارغ تمامًا من الفضاء ، فإن الجسيمات الافتراضية تنبثق من الوجود وتخرج منه وتخلق الطاقة - وهي فكرة سخيفة على ما يبدو ، ولكن تم ملاحظتها تجريبيًا. تنشأ المشكلة عندما يحاول الفيزيائيون حساب مساهمتها في الثابت الكوني. تختلف نتيجتها عن الملاحظات بعامل محير للعقل قدره 10 ^ 121 (أي 10 متبوعًا بـ 120 أصفار) ، وهو أكبر اختلاف بين النظرية والتجربة في جميع الفيزياء.
هذا التفاوت دفع بعض الفيزيائيين إلى الشك في معادلات جاذبية أينشتاين الأصلية. وقد اقترح البعض نماذج بديلة للجاذبية. ومع ذلك ، فإن المزيد من الأدلة على موجات الجاذبية بواسطة مرصد موجات التداخل بالليزر (LIGO) قد عززت النسبية العامة ورفض العديد من هذه النظريات البديلة. ولهذا السبب بدلاً من إعادة التفكير في الجاذبية ، اتخذ Lombriser نهجًا مختلفًا لحل هذا اللغز الكوني.
وقال لومبريسير "الآلية التي أقترحها لا تعدل معادلات أينشتاين الميدانية". بدلاً من ذلك ، "تضيف معادلة إضافية فوق معادلات أينشتاين الميدانية."
يصف ثابت الجاذبية ، الذي تم استخدامه لأول مرة في قوانين جاذبية إسحاق نيوتن والآن جزءًا أساسيًا من معادلات حقل أينشتاين ، حجم قوة الجاذبية بين الأشياء. يعتبر أحد الثوابت الأساسية للفيزياء ، دون تغيير إلى الأبد منذ بداية الكون. قام لومبريسر بافتراض كبير أن هذا الثابت يمكن أن يتغير.
في تعديل Lombriser للنسبية العامة ، يظل ثابت الجاذبية كما هو في الكون الذي يمكن ملاحظته ولكنه قد يختلف عنه. يقترح سيناريو الأكوان المتعددة حيث قد تكون هناك بقع من الكون غير مرئية لنا لها قيم مختلفة للثوابت الأساسية.
أعطى هذا التباين في الجاذبية Lombriser معادلة إضافية تربط الثابت الكوني بمتوسط مجموع المادة عبر الزمكان. بعد حسابه للكتلة المقدرة لجميع المجرات والنجوم والمادة المظلمة للكون ، يمكنه حل هذه المعادلة الجديدة للحصول على قيمة جديدة للثابت الكوني - وهي تتوافق بشكل وثيق مع الملاحظات.
باستخدام معلمة جديدة ، ΩΛ (أوميغا لامدا) ، التي تعبر عن جزء الكون المصنوع من المادة المظلمة ، وجد الكون يتكون من حوالي 74٪ من الطاقة المظلمة. يتطابق هذا الرقم بشكل وثيق مع قيمة 68.5٪ المقدرة من الملاحظات - وهو تحسن هائل على التفاوت الكبير الذي وجدته نظرية المجال الكمي.
على الرغم من أن إطار Lombriser قد يحل مشكلة الكونية المستمرة ، فلا توجد حاليًا طريقة لاختبارها. ولكن في المستقبل ، إذا أثبتت التجارب من نظريات أخرى صحة معادلاته ، فقد يعني ذلك قفزة كبيرة في فهمنا للطاقة المظلمة وتوفير أداة لحل الألغاز الكونية الأخرى.
