wszechświat
Autor: Clara Moskowitz | dodano: 2021-03-05
Kosmiczna zagadka

Ilustracja Mark Ross

Zaskakująco mała wartość stałej kosmologicznej stanowi jedną z największych nierozwiązanych zagadek w fizyce.

W każdej porcji niczego coś się znajduje. Można by się spodziewać, że gdyby z pustej przestrzeni usunięto wszystkie planety, gwiazdy i galaktyki, otrzymano by doskonałą próżnię. Nie jest to jednak prawda. W rzeczywistości zobaczylibyśmy dynamiczną scenę, w której cząstki ożywają i niemal natychmiast znikają.

Teoria opisująca świat w najmniejszych skalach – mechanika kwantowa – nie zezwala na istnienie nicości. W każdym momencie i w każdym punkcie energia nigdy nie może być idealnie równa zeru: wszędzie są jakieś drgania. Z takich drgań mogą wyłonić się cząstki „wirtualne” – a konkretnie pary złożone z cząstek i ich antycząstek, które anihilują i znikają tak szybko, jak się pojawiły. Choć proces ten może wydawać się dziwaczny, eksperymenty wykazały rzeczywiste skutki działania cząstek wirtualnych. Jedną z wielu obserwacji potwierdzających istnienie cząstek wirtualnych był przeprowadzony w akceleratorach pomiar masy bozonu Z. Odbiegała ona nieco od swojej wartości kanonicznej, ponieważ czasami bozon Z zamieniał się w wirtualny kwark górny.

Efektem działania tych pojawiających się nagle i znikających w niebycie cząstek jest „energia próżni”, która wypełnia kosmos i rozpycha samą przestrzeń. Jest to najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie ciemnej energii, z której powodu Wszechświat zamiast pozostawać statyczny lub rozszerzać się, ale coraz wolniej, w każdej chwili coraz bardziej przyspiesza.

Problem z energią próżni polega na tym, że jest jej zbyt mało. Kiedy naukowcy po raz pierwszy zaczęli rozważać tę koncepcję, obliczyli, że taka energia powinna być ogromna: Wszechświat rozszerzałby się tak gwałtownie i szybko, że nie mogłyby powstać żadne gwiazdy ani galaktyki. Ponieważ ewidentnie nie jest to prawdą, energia próżni we Wszechświecie musi być bardzo mała – około 120 rzędów wielkości mniejsza, niż przewiduje teoria kwantowa. To tak, jakby coś, co faktycznie waży pięć kilogramów, miało ważyć pięć kilogramów ze 120 dodatkowymi zerami przy piątce. Ta rozbieżność skłoniła niektórych naukowców do nazwania energii próżni „najgorszym teoretycznym przewidywaniem w historii fizyki”.

Sądzi się, że energia próżni jest głównym składnikiem stałej kosmologicznej – matematycznego członu występującego w równaniach ogólnej teorii względności. Ogromna rozbieżność między przewidywaną wartością energii próżni a wartością zmierzoną jest często nazywana problemem stałej kosmologicznej. „Powszechnie uważa się ją za jeden z najbardziej niewygodnych, wstydliwych i najtrudniejszych problemów współczesnej fizyki teoretycznej – mówi Antonio Padilla, fizyk z University of Nottingham w Anglii, który przez 15 lat próbował go rozgryźć. – Sugeruje on, że w naszej wiedzy czegoś brakuje. Dla mnie jest to ekscytujące – dlaczego nie miałbym nad tym pracować?”

Zagadka przyciągnęła jedne z największych umysłów fizyki i zrodziła mnóstwo pomysłów, jak ją rozwiązać. W zeszłym roku, w trakcie wykładu na wydziale fizyki Brown University, fizyk z New York University Gregory Gabadadze poświęcił godzinę na streszczenie wszystkich koncepcji, które do tej pory wysunęli teoretycy. Po wystąpieniu jeden z słuchaczy zapytał go, który z pomysłów preferuje. „Żadnego” – odpowiedział Gabadadze. Wszystkie są zbyt „radykalne” i wszystkie wymagają „porzucenia świętych zasad”.

Są jednak fizycy, którzy twierdzą, że pewne nowe prace teoretyczne z tej dziedziny są fascynujące. Postęp w precyzyjnych eksperymentach laboratoryjnych badających grawitację oraz pojawienie się astronomii fal grawitacyjnych dają nadzieję, że niektóre z proponowanych rozwiązań problemu będą mogły zostać poddane testom doświadczalnym – lub przynajmniej zostać odrzucone.

 

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 03/2021 »
Drukuj »
Aktualne numery
07/2021
10/2020 - specjalny
Kalendarium
Lipiec
31
W 1498 r. Krzysztof Kolumb odkrył wyspę Trynidad.
Warto przeczytać
Czy wiesz, że wszyscy mężczyźni zaczynają życie jako kobiety? A może fakt, że skóra chroni nas przed wyparowaniem, to dla ciebie żadna nowość? Nawet jeśli tak jest, książka "100 rzeczy, których nie wiesz o swoim ciele" i tak będzie cię nieustannie zaskakiwać.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Clara Moskowitz | dodano: 2021-03-05
Kosmiczna zagadka

Ilustracja Mark Ross

Zaskakująco mała wartość stałej kosmologicznej stanowi jedną z największych nierozwiązanych zagadek w fizyce.

W każdej porcji niczego coś się znajduje. Można by się spodziewać, że gdyby z pustej przestrzeni usunięto wszystkie planety, gwiazdy i galaktyki, otrzymano by doskonałą próżnię. Nie jest to jednak prawda. W rzeczywistości zobaczylibyśmy dynamiczną scenę, w której cząstki ożywają i niemal natychmiast znikają.

Teoria opisująca świat w najmniejszych skalach – mechanika kwantowa – nie zezwala na istnienie nicości. W każdym momencie i w każdym punkcie energia nigdy nie może być idealnie równa zeru: wszędzie są jakieś drgania. Z takich drgań mogą wyłonić się cząstki „wirtualne” – a konkretnie pary złożone z cząstek i ich antycząstek, które anihilują i znikają tak szybko, jak się pojawiły. Choć proces ten może wydawać się dziwaczny, eksperymenty wykazały rzeczywiste skutki działania cząstek wirtualnych. Jedną z wielu obserwacji potwierdzających istnienie cząstek wirtualnych był przeprowadzony w akceleratorach pomiar masy bozonu Z. Odbiegała ona nieco od swojej wartości kanonicznej, ponieważ czasami bozon Z zamieniał się w wirtualny kwark górny.

Efektem działania tych pojawiających się nagle i znikających w niebycie cząstek jest „energia próżni”, która wypełnia kosmos i rozpycha samą przestrzeń. Jest to najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie ciemnej energii, z której powodu Wszechświat zamiast pozostawać statyczny lub rozszerzać się, ale coraz wolniej, w każdej chwili coraz bardziej przyspiesza.

Problem z energią próżni polega na tym, że jest jej zbyt mało. Kiedy naukowcy po raz pierwszy zaczęli rozważać tę koncepcję, obliczyli, że taka energia powinna być ogromna: Wszechświat rozszerzałby się tak gwałtownie i szybko, że nie mogłyby powstać żadne gwiazdy ani galaktyki. Ponieważ ewidentnie nie jest to prawdą, energia próżni we Wszechświecie musi być bardzo mała – około 120 rzędów wielkości mniejsza, niż przewiduje teoria kwantowa. To tak, jakby coś, co faktycznie waży pięć kilogramów, miało ważyć pięć kilogramów ze 120 dodatkowymi zerami przy piątce. Ta rozbieżność skłoniła niektórych naukowców do nazwania energii próżni „najgorszym teoretycznym przewidywaniem w historii fizyki”.

Sądzi się, że energia próżni jest głównym składnikiem stałej kosmologicznej – matematycznego członu występującego w równaniach ogólnej teorii względności. Ogromna rozbieżność między przewidywaną wartością energii próżni a wartością zmierzoną jest często nazywana problemem stałej kosmologicznej. „Powszechnie uważa się ją za jeden z najbardziej niewygodnych, wstydliwych i najtrudniejszych problemów współczesnej fizyki teoretycznej – mówi Antonio Padilla, fizyk z University of Nottingham w Anglii, który przez 15 lat próbował go rozgryźć. – Sugeruje on, że w naszej wiedzy czegoś brakuje. Dla mnie jest to ekscytujące – dlaczego nie miałbym nad tym pracować?”

Zagadka przyciągnęła jedne z największych umysłów fizyki i zrodziła mnóstwo pomysłów, jak ją rozwiązać. W zeszłym roku, w trakcie wykładu na wydziale fizyki Brown University, fizyk z New York University Gregory Gabadadze poświęcił godzinę na streszczenie wszystkich koncepcji, które do tej pory wysunęli teoretycy. Po wystąpieniu jeden z słuchaczy zapytał go, który z pomysłów preferuje. „Żadnego” – odpowiedział Gabadadze. Wszystkie są zbyt „radykalne” i wszystkie wymagają „porzucenia świętych zasad”.

Są jednak fizycy, którzy twierdzą, że pewne nowe prace teoretyczne z tej dziedziny są fascynujące. Postęp w precyzyjnych eksperymentach laboratoryjnych badających grawitację oraz pojawienie się astronomii fal grawitacyjnych dają nadzieję, że niektóre z proponowanych rozwiązań problemu będą mogły zostać poddane testom doświadczalnym – lub przynajmniej zostać odrzucone.