Stała kosmologiczna – najsłynniejsza "pomyłka" w historii nauki

Chciałbym wam dzisiaj opowiedzieć o czymś, co naprawdę mnie zamurowało podczas mojego tygodniowego researchu.

Wiecie, jak czasem popełniacie błąd, a ten błąd okazuje się... genialny? No to mniej więcej tak było z Albertem Einsteinem i czymś, co nazywamy stałą kosmologiczną.

Co to w ogóle jest?

Tłumaczę wam to na chłopski rozum. Stała kosmologiczna to liczba opisująca energię krążącą w pustej przestrzeni – tę energię, która sprawia, że nasz wszechświat rozszerza się coraz szybciej i szybciej. Brzmi prosto, prawda?

Ale teraz zaczyna się jazda. Według naszej najlepszej wiedzy o fizyce cząstek (zwanej kwantową teorią pola), pusta przestrzeń powinna być wypełniona energią po brzegi. Dosłownie zalewać się nią. Tak bardzo, że wszechświat powinien dawno temu rozlecieć się w proch.

A teraz najlepsze: ta wartość, którą faktycznie obserwujemy? Jest nieprawdopodobnie, wręcz niewyobrażalnie mała w porównaniu z tym, co przewidują równania.

To nie jest żadna drobna rozbieżność. Mówimy o różnicy rzędu 10^120 – czyli jedynka i sto dwadzieścia zer. To chyba największa niezgodność między teorią a rzeczywistością w całej fizyce.

"Pomyłka" Einsteina powraca

No i tutaj na scenę wkracza nasz przyjaciel Albert. W 1917 roku Einstein był przekonany, że wszechświat jest statyczny – ani się nie rozszerza, ani nie kurczy, po prostu sobie spokojnie siedzi. Ale jego równania ogólnej teorii względności przewidywały, że wszechświat powinien się zapaść pod własnym ciężarem.

Więc Einstein dodał stałą kosmologiczną – swojego rodzaju "siłę odpychającą", która utrzymywałaby wszystko w równowadze. Była to jego tymczasowa "łatka", jeśli chcecie.

Potem, w 1929 roku, Edwin Hubble odkrył, że wszechświat się rozszerza. Einstein ponoć nazwał wtedy stałą kosmologiczną swoim "największym błędem" i usunął ją z równań.

Przez dekady wyglądało na to, że sprawa jest zamknięta.

Aż do 1998 roku, kiedy astronomowie odkryli coś szokującego: ekspansja wszechświata przyspiesza! Nagle stała kosmologiczna znów wróciła do gry, bo idealnie tłumaczyła to przyspieszenie. Dziś jest jednym z kluczowych elementów tego, co nazywamy "ciemną energią".

Zagadka się pogłębia

I tutaj pojawia się prawdziwy problem. Kiedy stała kosmologiczna robiła swój wielki powrót, kwantowa teoria pola stała się jednym z najbardziej niezawodnych narzędzi nauki. Opisuje cząstki, siły i – tak – energię próżni z niesamowitą precyzją.

Ale QFT mówi, że energia próżni powinna być ogromna. Tymczasem obserwacje uparcie twierdzą, że jest malutka. Jak to, do diabła, możliwe jednocześnie?

To właśnie fizycy nazywają "problemem stałej kosmologicznej" i od dekad nie daje im spać po nocach.

Wchodzą naukowcy z Brown University

A teraz robi się naprawdę interesująco. Badacze z Uniwersytetu Browna zaproponowali potencjalne rozwiązanie i szczerze mówiąc – jest dość piękne.

Ich pomysł czerpie z czegoś zwanego stanem Chern-Simons-Kodama – proponowanego stanu grawitacji kwantowej, który wyłania się z kwantowej teorii pola. Nie będę was zanudzać matematyką, ale to w zasadzie sposób opisywania grawitacji w najmniejszych, najbardziej kwantowych skalach.

Oto co jest fascynujące: naukowcy odkryli, że matematyka stojąca za tym podejściem jest niezwykle podobna do czegoś zwanego efektem kwantowym Halla – dziwnego zjawiska w fizyce materii skondensowanej, gdzie przewodnictwo elektryczne przyjmuje niezwykle precyzyjne wartości.

W efekcie kwantowym Halla te wartości pozostają stabilne jak skała, nawet gdy materiał ma niedoskonałości. Dlaczego? Dzięki topologii – czyli podstawowej matematycznej "kształtowi" lub strukturze systemu.

Czy sama przestrzeń jest odpowiedzią?

Argument badaczy jest taki: podobna cecha topologiczna może istnieć w samej czasoprzestrzeni. Jeśli przestrzeń ma tę nietrywialną topologię, mogłaby naturalnie tłumić wszystkie te kwantowe fluktuacje, które powinny sprawiać, że stała kosmologiczna rośnie do absurdalnych wartości.

Innymi słowami: kształt wszechświata może aktywnie utrzymywać stałą kosmologiczną w ryzach.

Jak ujął to współautor badania, Stephon Alexander: "Pokazaliśmy, że jeśli czasoprzestrzeń ma tę nietrywialną topologię, to rozwiązuje jeden z najpoważniejszych problemów stałej kosmologicznej. Wszystkie te kwantowe zaburzenia, które powinny wywindować jej wartość, zostają przez tę topologię unieruchomione – i wartość pozostaje stabilna."

Jakże to niesamowite? Sama struktura rzeczywistości może elegancko rozwiązywać to, co wyglądało na nierozwiązywalną zagadkę.

Co to wszystko oznacza?

Będę z wami szczery – nie mamy jeszcze wszystkich odpowiedzi. Fizyka jest trudna (to chyba największe niedopowiedzenie w historii). Ale to badanie oferuje naprawdę intrygującą ścieżkę do przodu.

To również wspaniałe przypomnienie, że nawet "błędy" mogą kryć w sobie ziarna geniuszu. Einstein wprowadził stałą kosmologiczną, żeby jego równania się zgadzały, nazwał ją pomyłką, kiedy myślał, że nie jest potrzebna, a teraz – ponad sto lat później – wciąż rozsupłujemy to, na co tak naprawdę wpadł.

Czasem wszechświat ma podobne poczucie humoru.

A to, co mnie najbardziej napawa nadzieją, to fakt, że łączy to fizykę kwantową z grawitacją w zupełnie nowy sposób. Może przybliża nas do świętego graala fizyki: jednolitej teorii opisującej wszystko – od maleńkich cząstek po ogromne galaktyki.

I szczerze? To naprawdę fascynujące rzeczy na ten czwartek.

Jeśli chcecie zgłębić ten temat, oryginalna praca została opublikowana w Physical Review Letters. Świetne podsumowanie znajdziecie też w serwisie Science Daily.