O ştiinţă care susţine că a ajuns la adevărurile ultime şi nu mai are nimic de cercetat încetează să mai fie ştiinţă şi devine ideologie. Fizica are de aproape un secol o mare problemă. Deşi ar trebui să descrie acelaşi Univers, de la scara microcosmosului până la scara roiurilor de galaxii, fizica corpurilor mari, teoria relativităţii generale, este aparent incompatibilă cu fizica corpurilor mici, fizica cuantică. Un singur număr, denumit constanta cosmologică, uneşte microcosmosul cu macrocosmosul.
Cele două teorii ale fizicii nu se pot pune de acord cu valoarea aşa-zisei constante cosmologice. Mai mult decât atât, discrepanţa dintre valoarea observată a acestei constante şi predicţia teoretică asupra sa face din constanta cosmologică una dintre cele mai inexacte predicţii din istoria fizicii, conform unui material publicat vineri de Live Science. Rezolvarea acestei discrepanţe poate fi considerată principalul obiectiv al fizicii teoretice din acest secol.
Lucas Lombriser, profesor asistent de fizică teoretică la Universitatea din Geneva, Elveţia, a introdus o nouă modalitate de a evalua ecuaţiile lui Einstein care descriu gravitaţia pentru a identifica o valoare a constantei cosmologice care să corespundă valorii observate empiric. Metoda sa va fi prezentată pe larg în viitorul număr al revistei Physics Letters B, care va fi lansat la 10 octombrie.
Gafa lui Einstein a primit un nume cool: „energia întunecată”
Povestea constantei cosmologice a început acum mai bine de un secol, când Einstein a prezentat un set de ecuaţii, cunoscute în prezent drept ecuaţiile de câmp ale lui Einstein şi care au reprezentat cadrul pentru celebra sa teorie a relativităţii generale. Aceste ecuaţii explică cum materia şi energia deformează textura spaţiu-timpului rezultând forţa de gravitaţie. Pe atunci, consensul în fizică era că Universul are o dimensiune fixă şi spaţiul dintre galaxii nu se schimbă. Atunci când Einstein a aplicat relativitatea generală la întregul Univers, ca un întreg, teoria sa ajungea la predicţia că Universul nu are o dimensiune fixă şi că fie se extinde, fie se contractă. Pentru că i se părea de neconceput ca Universul să se extindă sau să se contracte, Einstein a considerat că trebuie să existe o constantă care să facă Universul să rămână static. Astfel s-a născut constanta cosmologică.
Aproape un deceniu mai târziu, un alt fizician, Edwin Hubble, a descoperit că Universul nu este static ci se extinde. Lumina de la galaxiile îndepărtate arată că acestea se îndepărtează unele de altele, la fel ca stafidele din aluatul de cozonac aflat în cuptor. Această descoperire l-a convins pe Einstein să renunţe la constanta cosmologică din ecuaţiile sale de câmp şi să recunoască faptul că introducerea acestei constante în ecuaţii, pentru a se asigura că Universul rămâne static, reprezintă probabil cea mai mare gafă din cariera sa.
În 1998, observaţii asupra unor supernove îndepărtate au arătat că Universul nu doar că se extinde ci se extinde accelerat. Galaxiile se îndepărtează unele faţă de celelalte în mod accelerat ca şi când ar exista o forţă necunoscută care învinge gravitaţia. Fizicienii au numit această forţă misterioasă energie întunecată şi deocamdată natura ei exactă rămâne necunoscută.
În mod ironic, constanta cosmologică a fost reintrodusă de fizicieni în ecuaţiile lui Einstein sub denumirea de energie întunecată. În modelul cosmologic standard, aşa cum este cunoscut în prezent, constanta cosmologică este energia întunecată. Astronomii au reuşit chiar să-i estimeze valoarea pornind de la observaţiile derulate asupra unor stele aflate în stadiul de supernove şi de la observaţii asupra radiaţiei cosmice de fond. Deşi această valoare este absurd de mică, de ordinul a 10 la puterea -52 pe metru pătrat, la scara întregului Univers această valoare este suficient de semnificativă pentru a explica expansiunea accelerată a spaţiului.
„Constanta cosmologică (sau energia întunecată) reprezintă aproximativ 70% din energia întregului Univers, fapt pe care l-am dedus din observarea expansiunii accelerate prin care trece Universul în prezent. Şi cu toate acestea, încă nu înţelegem această constantă”, subliniază Lombriser. „Încercările de a o explica au eşuat, şi pare să ne lipsească ceva fundamental din modul în care înţelegem cosmosul. Punerea cap la cap a pieselor acestui puzzle reprezintă unul dintre marile domenii pe care este concentrată fizica modernă. Ne aşteptăm ca rezolvarea acestei probleme să ducă la o înţelegere fundamentală a fizicii”, a adăugat el.
Cea mai inexactă predicţie teoretică din istoria fizicii
Constanta cosmologică ar putea reprezenta ceea ce fizicienii numesc "energia vidului". Teoria câmpului cuantic susţine că, până şi în vidul spaţiului intergalactic, particule subatomice apar şi dispar în mod spontan din existenţă, generând energie - o idee aparent absurdă care însă a fost demonstrată experimental. Problemele apar atunci când fizicienii încearcă să calculeze contribuţia sa la constanta cosmologică. Iar aceste probleme sunt uriaşe şi chiar stânjenitoare pentru ştiinţă. Există o prăpastie uriaşă între predicţia teoretică şi rezultatele obţinute din observaţii - diferenţa este un factor de ordinul 10 la puterea 121 (10 urmat de 120 de zerouri) - cea mai mare discrepanţă dintre teorie şi experiment din istoria fizicii şi probabil a oricărei alte ştiinţe.
Această discrepanţă i-a făcut pe unii fizicieni să pună sub semnul întrebării ecuaţiile prin care Einstein explică gravitaţia. Câţiva chiar au sugerat modele alternative de explicare a gravitaţiei. Experimentele cu privire la undele gravitaţionale derulate în cadrul LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) au venit însă la momentul oportun şi au reconfirmat relativitatea generală, infirmând alte teorii mai exotice. Din acest motiv, în loc să se gândească la un alt mod de a explica gravitaţia, Lombriser a optat pentru o abordare diferită pentru rezolvarea acestui puzzle cosmic.
„Mecanismul pe care-l propun nu modifică ecuaţiile de câmp ale lui Einstein”, susţine Lombriser. În schimb, "adaugă încă o ecuaţie la ecuaţiile de câmp ale lui Einstein".
Constanta gravitaţională, ce a fost folosită pentru prima oară în legile lui Isaac Newton, şi care este acum o parte esenţială din ecuaţiile de câmp ale lui Einstein, descrie magnitudinea forţei gravitaţionale dintre diferite corpuri. Este considerată una dintre constantele fundamentale ale fizicii, având o valoare eternă, sau poate mai bine spus, de aceeaşi vârstă cu Universul. Ei bine, Lombriser a îndrăznit să se atingă de acest „adevăr bine stabilit al ştinţei” şi a lansat ipoteza iconoclastă că această constantă se poate schimba.
În modelul relativităţii generale modificat de Lombriser, constanta gravitaţională rămâne aceeaşi în Universul observabil, dar, în acord cu principiul incertitudinii cuantice, poate varia în afara Universului observabil. Iar cum Universul nostru se extinde accelerat şi, pe măsură ce înaintăm pe linia timpului, din ce în ce mai mult din ceea ce azi constituie Universul observabil va dispărea dincolo de el, în categoria Universului neobservabil, constanta gravitaţională va deveni... din ce în ce mai inconstantă.
Ideea variaţiilor gravitaţiei i-a oferit lui Lombriser încă o ecuaţie care raportează constanta cosmologică la suma medie a materiei în spaţiu-timp. După ce a introdus în ecuaţie masa estimată totală a galaxiilor din Univers, a stelelor şi materiei întunecate, Lombriser susţine că poate rezolva ecuaţia pentru a obţine o nouă valoare a constantei cosmologice, una care să fie foarte apropiată, dacă nu identică cu valorile obţinute din observaţii. Folosind un nou parametru care exprimă fracţiunea din Univers formată din materie întunecată, el a ajuns la concluzia că Universul este compus în proporţie de aproximativ 74% din energie întunecată - o valoare mult mai apropiată de cea de 68,5% energie întunecată estimată din observaţii şi o îmbunătăţire evidentă faţă de uriaşa prăpastie semnalată de teoria câmpului cuantic.
Deşi noul cadru teoretizat de Lucas Lombriser ar putea să fie rezolvarea la problema „inconstantei” constante cosmologice, deocamdată nu există nicio modalitate de a o testa. În viitorul mai mult sau mai puţin îndepărtat, în cazul în care experimentele derulate în cadrul altor teorii vor ajunge să-i valideze ecuaţiile lui Lombriser, munca sa ar reprezenta un salt gigantic în modul în care înţelegem energia întunecată şi ar putea să le ofere fizicienilor instrumentele necesare pentru a dezlega şi alte mistere cosmice.