יש בעיה מהותית בפיזיקה.
מספר בודד, המכונה הקבוע הקוסמולוגי, מגשר על העולם המיקרוסקופי של מכניקת הקוונטים ואת העולם המקרוסקופי של תורת היחסות הכללית של אינשטיין. אולם אף אחת מהתיאוריות אינה יכולה להסכים על ערכה.
למען האמת, קיים פער כה גדול בין הערך הנצפה של קבוע זה לבין התיאוריה שמנבאת שהוא נחשב באופן נרחב לתחזית הגרועה ביותר בתולדות הפיזיקה. פתרון הפער עשוי להיות המטרה החשובה ביותר של הפיזיקה התיאורטית במאה הנוכחית.
לוקאס לומבריזר, פרופסור לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת ז'נבה בשוויץ, הציג דרך חדשה להעריך את משוואות הכובד של אלברט איינשטיין כדי למצוא ערך לקבוע הקוסמולוגי התואם את ערכו הנצפה. הוא פרסם את שיטתו באופן מקוון בגיליון 10 באוקטובר של כתב העת Physics Letters B.
איך הפגום הגדול ביותר של איינשטיין הפך לאנרגיה אפלה
סיפור הקבוע הקוסמולוגי החל לפני יותר ממאה שנים כאשר איינשטיין הציג מערכת משוואות, הידועות כיום כמשוואות שדה איינשטיין, שהפכו למסגרת של תורת היחסות הכללית שלו. המשוואות מסבירות כיצד חומר ואנרגיה מעוותים את מארג המרחב והזמן ליצירת כוח הכובד. באותה תקופה איינשטיין וגם אסטרונומים הסכימו כי היקום קבוע בגודלו וכי המרחב הכולל בין הגלקסיות לא השתנה. עם זאת, כאשר איינשטיין יישם את היחסות הכללית על היקום בכללותו, התיאוריה שלו ניבאה יקום לא יציב שיתרחב או יתכווץ. כדי לאלץ את היקום להיות סטטי, איינשטיין דבק בקבוע הקוסמולוגי.
כמעט עשור לאחר מכן גילה פיזיקאי אחר, אדווין האבל, שהיקום שלנו אינו סטטי, אלא מתרחב. האור מהגלקסיות הרחוקות הראה שכולם מתרחקים זה מזה. גילוי זה שכנע את איינשטיין לנטוש את הקבוע הקוסמולוגי ממשוואות השדה שלו מכיוון שכבר לא היה צורך להסביר יקום מתרחב. על פי הנושא של הפיסיקה, איינשטיין הודה לימים כי הצגתו של הקבוע הקוסמולוגי הייתה אולי החסר הגדול ביותר שלו.
בשנת 1998, תצפיות על סופרנובות רחוקות הראו שהיקום לא רק מתרחב, אלא שההתרחבות האיצה. הגלקסיות האיצו זו מזו כאילו איזה כוח לא ידוע מתגבר על כוח הכבידה ומתנער מהגלקסיות זו מזו. פיזיקאים כינו את התופעה האניגמטית הזו לאנרגיה אפלה, מכיוון שטבעה האמיתי נותר בגדר תעלומה.
בפיתול של אירוניה, הפיזיקאים הכניסו שוב את הקבוע הקוסמולוגי למשוואות השדה של איינשטיין כדי להסביר את האנרגיה האפלה. במודל הסטנדרטי הנוכחי של הקוסמולוגיה, המכונה ΛCDM (Lambda CDM), הקבוע הקוסמולוגי ניתן להחלפה עם אנרגיה אפלה. אסטרונומים אפילו העריכו את ערכו על סמך תצפיות על סופרנובות רחוקות ותנודות ברקע המיקרוגל הקוסמי. למרות שהערך קטן באופן מופרך (בסדר גודל של 10 ^ -52 למ"ר), על פני היקף היקום, הוא מספיק משמעותי כדי להסביר את ההתפשטות המואצת של החלל.
"הקבוע הקוסמולוגי מהווה כיום כ -70% מתכולת האנרגיה ביקום שלנו, וזה מה שאנחנו יכולים להסיק מההתרחבות המואצת שנצפתה בו היקום שלנו נמצא כרגע. עם זאת הקבוע הזה לא מובן", אמר לומבריזר. "הניסיונות להסביר את זה נכשלו, ונראה שיש משהו מהותי שחסר לנו באופן בו אנו מבינים את הקוסמוס. פירוק הפאזל הזה הוא אחד מתחומי המחקר העיקריים בפיזיקה המודרנית. בדרך כלל צפוי שפתרון הבעיה עשוי להוביל אותנו להבנה בסיסית יותר של הפיזיקה. "
התחזית התיאורטית הגרועה ביותר בתולדות הפיזיקה
הקבוע הקוסמולוגי נחשב כמייצג את מה שהפיזיקאים מכנים "אנרגיית ואקום". תיאוריית השדה הקוונטי קובעת כי אפילו בוואקום ריק לחלוטין של חלל, חלקיקים וירטואליים צצים אל תוך הקיום ויוצרים אנרגיה - רעיון מופרך לכאורה, אך כזה שנצפה בניסוי. הבעיה מתעוררת כאשר הפיזיקאים מנסים לחשב את תרומתה לקבוע הקוסמולוגי. התוצאה שלהם שונה מהתצפיות על ידי גורם מעורבב נפש של 10 ^ 121 (זה 10 ואחריו 120 אפסים), ההבדל הגדול ביותר בין תיאוריה לניסוי בכל הפיזיקה.
שונות כזו גרמה לפיזיקאים לפקפק במשוואות הכובד המקוריות של איינשטיין; חלקם אף הציעו דגמי כוח משיכה חלופיים. עם זאת, עדויות נוספות לגלי כבידה על ידי מצפה הכוכבים של גל אינטרפרומטר לייזר (LIGO) רק חיזקו את היחסות הכללית וביטלו רבים מתיאוריות אלטרנטיביות אלה. וזו הסיבה שבמקום לחשוב מחדש על כוח המשיכה, לומבריזר נקט גישה אחרת כדי לפתור את הפאזל הקוסמי הזה.
"המנגנון שאני מציע לא משנה את משוואות השדה של איינשטיין", אמר לומבריזר. במקום זאת, "זה מוסיף משוואה נוספת על גבי משוואות השדה של איינשטיין."
קבוע הכבידה, אשר שימש לראשונה בחוקי הכבידה של אייזק ניוטון וכעת הוא חלק מהותי ממשוואות השדה של איינשטיין, מתאר את גודל כוח הכבידה בין עצמים. זה נחשב לאחד הקבועים הבסיסיים של הפיזיקה, ללא שינוי מאז ראשית היקום. Lombriser הניח את ההנחה הדרמטית כי קבוע זה יכול להשתנות.
בשינויו של לומבריזר את היחסות הכללית, קבוע הכבידה נותר זהה ביקום הנצפה אך עשוי להשתנות מעבר לו. הוא מציע תרחיש רב-גוני בו יתכנו טלאי היקום בלתי נראים לנו שיש להם ערכים שונים לקבועים הבסיסיים.
וריאציה זו של הכבידה העניקה ללומבריזר משוואה נוספת המתייחסת לקבוע הקוסמולוגי לסכום החומר הממוצע לאורך זמן-חלל. לאחר שהסב את המסה המשוערת של כל הגלקסיות, הכוכבים והחומר האפל של היקום, הוא יכול היה לפתור את המשוואה החדשה הזו כדי להשיג ערך חדש לקבוע הקוסמולוגי - כזה שמסכים מקרוב עם התצפיות.
באמצעות פרמטר חדש, ΩΛ (אומגה למבדה), המבטא את שבר היקום העשוי מחומר אפל, הוא מצא שהיקום מורכב מכ- 74% אנרגיה אפלה. מספר זה תואם מקרוב את הערך של 68.5% המוערך מהתצפיות - שיפור אדיר ביחס לפער העצום שנמצא בתורת שדות הקוונטים.
למרות שהמסגרת של לומבריזר עשויה לפתור את הבעיה הקוסמולוגית המתמדת, כרגע אין דרך לבדוק אותה. אך בעתיד, אם ניסויים מתיאוריות אחרות מאמתים את משוואותיו, זה יכול להיות זינוק משמעותי בהבנתנו את האנרגיה האפלה ולספק כלי לפתור תעלומות קוסמיות אחרות.
