Apa yang ada di balik energi gelap – dan apa hubungannya dengan konstanta kosmologis yang diperkenalkan oleh Albert Einstein? Dua fisikawan dari University of Luxembourg menunjukkan cara untuk menjawab pertanyaan terbuka dalam fisika ini.

Alam semesta memiliki sejumlah sifat aneh yang sulit dipahami melalui pengalaman sehari-hari. Misalnya, materi yang kita ketahui, yang tersusun dari partikel dasar dan gabungan yang tersusun dari molekul dan materi, ternyata hanya merupakan sebagian kecil dari energi alam semesta. Kontribusi terbesar, sekitar dua pertiga, berasal darienergi gelap– suatu bentuk energi hipotetis yang masih dibuat bingung oleh fisikawan latar belakangnya. Selain itu, alam semesta tidak hanya terus mengembang, tetapi juga melakukannya dengan kecepatan yang semakin cepat.

Tampaknya kedua sifat itu terkait, karena energi gelap Ini juga dianggap sebagai pendorong percepatan ekspansi. Selain itu, ia dapat menyatukan dua aliran pemikiran fisika yang kuat: teori medan kuantum dan teori relativitas umum yang dikembangkan oleh Albert Einstein. Tapi ada tangkapan: akun dan catatannya jauh dari identik. Dua peneliti Luksemburg menunjukkan cara baru untuk memecahkan misteri berusia 100 tahun ini dalam makalah penelitian yang diterbitkan oleh jurnal tersebut. Surat pemeriksaan fisik.

Efek partikel virtual dalam ruang hampa

“Vakum memiliki energi. Ini adalah hasil mendasar dari teori medan kuantum,” jelas Profesor Alexander Tkachenko, Profesor Fisika Teoretis di Departemen Fisika dan Ilmu Material di Universitas Luksemburg. Teori ini dikembangkan untuk menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas khusus, tetapi teori medan kuantum tampaknya tidak cocok dengan relativitas umum. Keuntungan utamanya: tidak seperti mekanika kuantum, teori ini menganggap tidak hanya partikel tetapi juga bola tanpa materi sebagai objek kuantum.

“Dalam kerangka ini, banyak peneliti menganggap energi gelap sebagai ekspresi dari apa yang disebut energi vakum,” kata Tkatchenko, kuantitas fisik yang dihasilkan, dalam bentuk kehidupan, dari penampakan dan interaksi berkelanjutan pasangan partikel dan antipartikelnya — seperti sebagai elektron dan positron – dalam apa yang sebenarnya adalah ruang kosong.

Latar belakang gelombang mikro kosmik Planck. Kredit: Kolaborasi ESA dan Planck

Fisikawan berbicara tentang datang dan perginya partikel virtual dan medan kuantumnya sebagai fluktuasi dalam ruang hampa, atau titik nol. Saat pasangan partikel dengan cepat memudar kembali menjadi ketiadaan, kehadiran mereka meninggalkan sejumlah energi.

Ilmuwan Luksemburg mencatat bahwa “energi vakum ini juga memiliki arti dalam relativitas umum”: “Ini memanifestasikan dirinya dalam konstanta kosmologis yang dimasukkan Einstein dalam persamaannya karena alasan fisik.”

Ketidakcocokan besar

Berbeda dengan energi ruang hampa, yang hanya dapat disimpulkan dari persamaan teori medan kuantum, konstanta kosmologis dapat ditentukan secara langsung melalui eksperimen astrofisika. Pengukuran dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble dan misi luar angkasa Planck telah menghasilkan nilai yang mendekati dan dapat diandalkan untuk besaran fisik dasar. Di sisi lain, kalkulasi energi gelap berdasarkan teori medan kuantum menghasilkan hasil yang konsisten dengan nilai konstanta kosmologis 10¹²⁰ kali lebih besar – perbedaan yang sangat besar, meskipun menurut pandangan fisikawan yang berlaku saat ini, kedua nilai tersebut harus sama. Kontradiksi yang ada justru dikenal sebagai “teka-teki konstanta kosmologis”.

“Tidak diragukan lagi ini adalah salah satu kontradiksi terbesar dalam sains modern,” kata Alexander Tkachenko.

Cara interpretasi yang tidak konvensional

Bersama dengan sesama peneliti Luksemburg Dr Dmitry Fedorov, dia kini telah membawa solusi untuk misteri ini, yang telah terbuka selama beberapa dekade, sebuah langkah penting yang lebih dekat. Dalam sebuah karya teoretis, mereka baru-baru ini menerbitkan hasilnya di Surat pemeriksaan fisikKedua peneliti di Luksemburg mengusulkan penjelasan baru untuk energi gelap. Fluktuasi titik nol diasumsikan menghasilkan polarisasi vakum, yang dapat diukur dan dihitung.

“Dalam pasangan partikel virtual dengan muatan listrik yang berlawanan, mereka muncul dari gaya elektrodinamik yang diberikan oleh partikel-partikel ini satu sama lain selama waktu keberadaannya yang sangat singkat,” jelas Tkachenko. Fisikawan menyebut ini sebagai ruang hampa yang berinteraksi sendiri. “Ini mengarah pada kepadatan energi yang dapat ditentukan dengan bantuan model baru,” kata ilmuwan Luksemburg.

Bersama rekan peneliti Fedorov, mereka mengembangkan model fundamental atom beberapa tahun lalu dan mempresentasikannya untuk pertama kali pada 2018. Model ini awalnya digunakan untuk mendeskripsikan sifat atom, khususnya hubungan antara polarisasi atom dan sifat kesetimbangan. beberapa molekul dan padatan yang tidak terikat secara kovalen. Karena sangat mudah untuk mengukur sifat geometris secara eksperimental, polarisasi juga dapat ditentukan dengan rumusnya.

“Kami memindahkan prosedur ini ke operasi dalam ruang hampa,” Fedorov menjelaskan. Untuk tujuan ini, kedua peneliti mengamati perilaku domain kuantum, khususnya representasi elektron dan positron yang “datang dan pergi”. Fluktuasi bidang ini juga dapat dicirikan oleh geometri kesetimbangan yang sudah diketahui dari percobaan. “Kami memasukkannya ke dalam formula model kami, dan dengan cara ini kami akhirnya memperoleh gaya polarisasi dari kekosongan dalam,” kata Fedorov.

Langkah terakhir kemudian adalah menghitung secara mekanis kerapatan energi dari interaksi diri antara fluktuasi elektron dan positron. Hasil yang diperoleh dengan cara ini sangat sesuai dengan nilai terukur konstanta kosmologis. Ini berarti: “Energi gelap dapat ditelusuri kembali ke kepadatan energi interaksi diri medan kuantum,” tegas Alexander Tkachenko.

Nilai-nilai yang konsisten dan ekspektasi yang dapat diverifikasi

“Dengan demikian, pekerjaan kami menawarkan pendekatan yang elegan dan tidak konvensional untuk memecahkan misteri konstanta kosmologis,” fisikawan menyimpulkan. “Selain itu, ini memberikan prediksi yang dapat diverifikasi: yaitu, bahwa medan kuantum seperti elektron dan positron memang memiliki polarisasi intrinsik yang kecil namun selalu ada.”

Temuan ini menunjukkan jalan bagi eksperimen masa depan untuk mendeteksi polarisasi ini di laboratorium juga, kata dua peneliti yang berbasis di Luksemburg. “Tujuan kami adalah menurunkan konstanta kosmologis dari pendekatan teori kuantum yang ketat,” tegas Dmitry Fedorov. “Dan pekerjaan kami mencakup resep bagaimana mewujudkannya.”

Dia melihat hasil baru yang diperoleh dengan Alexander Tkachenko sebagai langkah pertama menuju pemahaman yang lebih baik tentang energi gelap – dan hubungannya dengan konstanta kosmologis Albert Einstein.

Akhirnya, Tkatchenko yakin: “Pada akhirnya, ini juga dapat menjelaskan bagaimana teori medan kuantum dan teori relativitas umum terjalin sebagai dua cara untuk melihat alam semesta dan komponennya.”

Referensi: “Kepadatan energi interaksi diri Casimir dalam medan elektrodinamika kuantum” oleh Alexander Tkachenko dan Dmitry V. Fedorov, 24 Januari 2023 Tersedia di sini. Surat pemeriksaan fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601