I fisici hanno proposto una nuova spiegazione per l’energia oscura. Può far luce sull’interdipendenza tra la teoria quantistica dei campi e la teoria della relatività generale, come due prospettive dell’universo e dei suoi elementi.
Cosa c’è dietro l’energia oscura – e cosa la collega alla costante cosmologica introdotta da Albert Einstein? Due fisici dell’Università del Lussemburgo indicano un modo per rispondere a queste domande aperte in fisica.
L’universo ha una serie di strane proprietà che sono difficili da comprendere attraverso l’esperienza quotidiana. Ad esempio, la materia così come la conosciamo, composta da molecole elementari e composte per costruire molecole e materia, costituisce apparentemente solo una piccola parte dell’energia dell’universo. Il contributo maggiore, circa due terzi, proviene daenergia oscura– un’ipotetica forma di energia di cui i fisici di fondo sono ancora sconcertati.Inoltre, l’universo non è solo in costante espansione, ma lo sta anche facendo a un ritmo sempre più veloce.
Sembra che entrambe le proprietà siano correlate, perché energia oscura È anche considerato un motore di espansione accelerata. Inoltre, può unire due potenti scuole di pensiero della fisica: la teoria quantistica dei campi e la teoria generale della relatività sviluppata da Albert Einstein. Ma c’è un problema: i conti e le note sono tutt’altro che identici. Due ricercatori lussemburghesi mostrano un nuovo modo per risolvere questo mistero centenario in un documento di ricerca pubblicato dalla rivista Lettere di revisione fisica.
L’effetto delle particelle virtuali nel vuoto
“Il vuoto ha energia. Questo è un risultato fondamentale della teoria quantistica dei campi”, spiega il Professor Alexander Tkachenko, Professore di Fisica Teorica presso il Dipartimento di Fisica e Scienze dei Materiali presso Università del Lussemburgo. Questa teoria è stata sviluppata per combinare la meccanica quantistica e la relatività ristretta, ma la teoria quantistica dei campi sembra essere incompatibile con la relatività generale. Il suo vantaggio principale: a differenza della meccanica quantistica, la teoria considera non solo le particelle ma anche le sfere prive di materia come oggetti quantistici.
“In questo quadro, molti ricercatori considerano l’energia oscura un’espressione di quella che viene chiamata energia del vuoto”, dice Tkatchenko, una quantità fisica che risulta, in forma vivente, dall’apparizione e dalla continua interazione di coppie di particelle e delle loro antiparticelle – come come elettroni e positroni – in quello che in realtà è Spazio Vuoto.
Fondo cosmico a microonde di Planck. Credito: collaborazione ESA e Planck
I fisici parlano dell’andirivieni delle particelle virtuali e dei loro campi quantistici come fluttuazioni nel vuoto, o punto zero. Mentre le coppie di particelle svaniscono rapidamente nel nulla, la loro presenza lascia dietro di sé una certa quantità di energia.
Lo scienziato lussemburghese osserva che “questa energia del vuoto ha anche un significato nella relatività generale”: “Si manifesta nella costante cosmologica che Einstein ha incluso nelle sue equazioni per ragioni fisiche”.
Massiccia discrepanza
A differenza dell’energia del vuoto, che può essere dedotta solo dalle equazioni della teoria quantistica dei campi, la costante cosmologica può essere determinata direttamente da esperimenti astrofisici. Le misurazioni con il telescopio spaziale Hubble e la missione spaziale Planck hanno prodotto valori vicini e affidabili per la grandezza fisica fondamentale. D’altra parte, i calcoli dell’energia oscura basati sulla teoria quantistica dei campi portano a risultati coerenti con il valore della costante cosmologica pari a 10120 volte maggiore – una contraddizione colossale, anche se secondo la visione del mondo dei fisici prevalenti oggi, entrambi i valori devono essere uguali. La contraddizione che esiste è invece nota come “enigma della costante cosmologica”.
“È senza dubbio una delle più grandi contraddizioni della scienza moderna”, afferma Alexander Tkachenko.
Modo non convenzionale di interpretazione
Insieme al collega ricercatore lussemburghese Dr Dmitry Fedorov, ha ora portato la soluzione a questo mistero, che è rimasto aperto per decenni, un importante passo avanti. In un lavoro teorico, hanno recentemente pubblicato i loro risultati in Lettere di revisione fisicaI due ricercatori in Lussemburgo hanno proposto una nuova spiegazione per l’energia oscura. Si presume che le fluttuazioni del punto zero provochino la polarizzazione del vuoto, che può essere misurata e calcolata.
“In coppie di particelle virtuali di carica elettrica opposta, derivano dalle forze elettrodinamiche che queste particelle esercitano l’una sull’altra durante il loro brevissimo periodo di esistenza”, spiega Tkachenko. I fisici si riferiscono a questo come a un vuoto auto-interagente. “Porta a una densità di energia che può essere determinata con l’aiuto di un nuovo modello”, afferma lo scienziato Luxembourg.
Insieme al collega ricercatore Fedorov, hanno sviluppato il modello fondamentale degli atomi alcuni anni fa e lo hanno presentato per la prima volta nel 2018. Il modello era originariamente utilizzato per descrivere le proprietà atomiche, in particolare la relazione tra le polarizzazioni degli atomi e le proprietà di equilibrio di alcune molecole e solidi legati in modo non covalente. Poiché è molto facile misurare sperimentalmente le proprietà geometriche, la polarizzazione può essere determinata anche dalla loro formula.
“Abbiamo trasferito questa azione alle operazioni nel vuoto”, spiega Fedorov. A tal fine, i due ricercatori hanno esaminato il comportamento dei domini quantistici, in particolare la rappresentazione del “va e vieni” di elettroni e positroni. Le fluttuazioni di questi campi possono anche essere caratterizzate da una geometria di equilibrio già nota sperimentalmente. “L’abbiamo inserito nelle formule del nostro modello, e in questo modo abbiamo finalmente ottenuto la forza di polarizzazione del vuoto interno”, dice Fedorov.
Il passo finale quindi è stato quello di calcolare meccanicamente la densità di energia dell’autointerazione tra le fluttuazioni di elettroni e positroni. Il risultato così ottenuto è in buon accordo con i valori misurati della costante cosmologica. Ciò significa: “L’energia oscura può essere fatta risalire alla densità energetica dell’autointerazione dei campi quantistici”, afferma Alexander Tkachenko.
Valori coerenti e aspettative verificabili
“Il nostro lavoro offre quindi un approccio elegante e non convenzionale per risolvere il mistero della costante cosmologica”, conclude il fisico. “Inoltre, fornisce una previsione verificabile: vale a dire che i campi quantistici come quelli di elettroni e positroni possiedono effettivamente una polarizzazione intrinseca piccola ma sempre presente”.
Questa scoperta indica la strada per futuri esperimenti per rilevare questa polarizzazione anche in laboratorio, affermano i due ricercatori con sede in Lussemburgo. “Il nostro obiettivo è ricavare la costante cosmologica da un approccio rigoroso alla teoria quantistica”, afferma Dmitry Fedorov. “E il nostro lavoro include una ricetta su come realizzarlo.”
Vede i nuovi risultati ottenuti con Alexander Tkachenko come il primo passo verso una migliore comprensione dell’energia oscura e della sua relazione con la costante cosmologica di Albert Einstein.
Infine, Tkatchenko è convinto: “In definitiva, questo può anche far luce sul modo in cui la teoria quantistica dei campi e la teoria della relatività generale si intrecciano come due modi di guardare all’universo e ai suoi componenti”.
Riferimento: “Densità di energia di autointerazione di Casimir nei campi elettrodinamici quantistici” di Aleksandr Tkachenko e Dmitry Fedorov, 24 gennaio 2023, disponibile qui. Lettere di revisione fisica.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
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