Kun Einsteinin "virhe" osoittautui nerokkaaksi – cosmologisen vakion paluu

Hei sinä! Törmäsin tällä viikolla juttuun, joka kyllä avasi silmät uusilla tavoilla.

Joskus teet virheen, ja se virhe osoittautuu salaa nerokkaaksi. No, jotain tällaista tapahtui Albert Einsteinille ja eräälle käsitteelle nimeltä kosmologinen vakio.

Mistä oikein on kyse?

Kosmologinen vakio on pohjimmiltaan luku, joka kuvaa tyhjässä tilassa leijuvaa energiaa. Sitä energiaa, joka saa maailmankaikkeuden laajenemaan yhä nopeammin. Kuulostaa yksinkertaiselta, eikö?

Mutta tässä tulee mutka.

Parhaan ymmärryksemme mukaan tyhjän空间的 pitäisi kuhista energiaa valtavia määriä. Niin paljon, että universumin olisi pitänyt räjähtää hajalle jo kauan sitten.

Ongelma? Se energia, jonka todellisuudessa havainnoimme, on uskomattoman pieni verrattuna siihen, mitä matematiikka ennustaa.

Ei mistään pienestä erosta puhuta. Kyse on noin 10^120 erosta – eli ykkösestä ja 120 nollasta. Tämä on ehkä suurin ristiriita teorian ja todellisuuden välillä koko fysiikassa.

Einsteinin "munaus" tekee paluun

Tässä kohtaa Einstein astuu kuvaan. Vuonna 1917 Einstein oli vakuuttunut, että universumi oli staattinen – ei laajeneva, ei kutistuva, vain paikallaan. Mutta yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt ennustivat, että universumin pitäisi romahtaa oman painovoimansa alla.

Joten Einstein lisäsi kosmologisen vakion eräänlaisena "hylkivänä voimana" pitämään kaiken tasapainossa. Se oli hänen sopeutuskertoimensa.

Sitten vuonna 1929 Edwin Hubble osoitti, että universumi todella laajenee. Einstein kutsui kosmologista vakiota "suurimmaksi mokakseen" ja poisti sen yhtälöistään.

Vuosikymmeniksi näytti siltä, että siinä se.

Kunnes vuonna 1998 tähtitieteilijät tekivät hämmästyttävän löydön: universumin laajeneminen on nopeutumassa. Yhtäkkiä kosmologinen vakio oli jälleen pöydällä, koska se selitti täydellisesti tämän kiihtyvyyden. Se on nyt yksi "pimeän energian" avainkomponenteista.

Arvoitus syvenee

Tässä kohtaa törmäämme varsinaiseen ongelmaan. Kosmologisen vakion palatessa kvanttikenttäteoria oli jo tullut yhdeksi tieteen menestyksekkäimmistä viitekehyksistä. Se kuvaa hiukkasia, voimia ja kyllä – tyhjän tilan energiaakin hämmästyttävällä tarkkuudella.

Mutta QFT sanoo, että tyhjiön energian pitäisi olla valtava. Havainnot vaativat sen olevan pieni. Miten molemmat voivat olla totta samanaikaisesti?

Tätä fyysikot kutsuvat "kosmologisen vakion ongelmaksi", ja se on pitänyt tutkijoita hereillä vuosikymmeniä.

Brownin yliopiston tutkijat astuvat esiin

Tässä kohtaa asiat alkavat todella kiinnostaa. Brownin yliopiston tutkijat ovat esittäneet mahdollisen ratkaisun, ja rehellisesti sanottuna se on melko kaunis.

Heidän ideansa nojaa Chern-Simons-Kodama -tilaan – ehdotettuun kvanttigravitaation tilaan, joka syntyy kvanttikenttäteoriasta. Matemaattisiin yksityiskohtiin menemättä, tämä on pohjimmiltaan tapa kuvata, miltä painovoima näyttää pienimmillä, kaikkein kvanttitason mittakaavoilla.

Ja tässä tulee se jännittävä osuus: tutkijat huomasivat, että tämän lähestymistavan matematiikka muistuttaa hämmästyttävästi jotain nimeltä kvantti-Hallin ilmiö – outo ilmiö kiinteän olomuodon fysiikassa, jossa sähkönjohtavuus saa uskomattoman tarkkoja arvoja.

Kvantti-Hallin ilmiössä nuo arvot pysyvät vakaina jopa silloin, kun materiaalissa on epätäydellisyyksiä. Syy? Topologia – järjestelmän alla oleva matemaattinen "muoto" tai rakenne.

Voiko avaruus itse olla vastaus?

Tutkijoiden argumentti on, että vastaava topologinen ominaisuus saattaa löytyä itse aika-avaruudesta. Jos avaruudella on tämä epätriviaali topologia, se voisi luonnollisesti tukahduttaa kaikki ne kvanttivaihtelut, joiden pitäisi paisuttaa kosmologisen vakion arvoa valtavaksi.

Toisin sanoen: universumin muoto saattaa aktiivisesti pitämässä kosmologisen vakion kurissa.

Kuten tutkimuksen tekijä Stephon AlexanderAsian asian tiivisti: "Olemme osoittaneet, että jos aika-avaruudella on tämä epätriviaali topologia, se ratkaisee yhden kosmologisen vakion vakavimmista ongelmista. Kaikki ne kvanttihäiriöt, joiden pitäisi räjäyttää arvon, tehdään tehottomiksi tämän topologian avulla, joka pitää vakion arvon vakaana."

Kuinka upeaa tuo onkaan? Todellisuuden rakenne saattaa elegantisti ratkaista näennäisesti mahdottoman pulman.

Mitä tämä kaikki tarkoittaa?

Ollakseni rehellinen – emme tiedä vielä kaikkea. Fysiikka on vaikeaa (vuosisadan aliarvostus). Mutta tämä tutkimus tarjoaa aidosti kiehtovan tien eteenpäin.

Se on myös hieno muistutus siitä, että "virheissäkin" voi piillä nerouden siemeniä. Einstein lisäsi kosmologisen vakion saadakseen yhtälönsä toimimaan, kutsui sitä virheeksi kun luuli ettei sitä tarvita, ja nyt – yli vuosisata myöhemmin – puremme edelleen yhtä sen salaisuuksista.

Joskus universumilla on tuollainen huumorintaju.

Se, mikä minua eniten toiveikkuuttaa, on yhteys kvanttifysiikan ja painovoiman välillä uudella tavalla. Se vie meitä lähemmäs fysiikan pyhää graalia: yhtenäistä teoriaa, joka kuvaa kaikkea pienistä hiukkasista valtaviin galakseihin.

Ja rehellisesti? Tuo on aika jännittävää juttua keskiviikoksi.

Jos haluat syventyä aiheeseen lisää, alkuperäinen tutkimus julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä. Science Dailyssä on hyvä yhteenveto.