Bugün öğrendim ki: Kuantum alan teorisinin, boş uzayın enerji yoğunluğunun yaklaşık 10⁸ GeV⁴ olduğunu öngördüğü ortaya çıktı. 2015 yılında, gerçekte yaklaşık 2,5 × 10⁻⁴⁷ GeV⁴ olduğu ölçüldü; bu, tahmin edilenden yüzde 1 oktodesilyon daha küçük. Bu, "fizik tarihindeki en kötü teorik öngörü" olarak adlandırıldı.
Kozmolojide Kavram
"Vakum felaketi" buraya yönlendirir. Diğer kullanımlar için bkz. Vakum felaketi (anlam ayrımı).
Fizikte çözümsüz problem
Neden vakum enerji yoğunluğu, kuantum alan teorisinin önerdiği sıfır noktası enerjisinden çok daha küçüktür?
Kozmolojide, kozmolojik sabit problemi veya vakum felaketi, gözlemlenen vakum enerji yoğunluğu değerleri (kozmolojik sabitin küçük değeri) ile kuantum alan teorisinin önerdiği çok daha büyük teorik sıfır noktası enerji değeri arasındaki önemli bir uyumsuzluktur.
Planck enerjisi kesme değerine ve diğer faktörlere bağlı olarak, etkin kozmolojik sabite kuantum vakum enerjisi katkısının, aslında gözlemlenen değerden 50 ile 120 katrilyon arasında daha büyük olduğu hesaplanmıştır[1][2]; fizikçiler tarafından "bilimin tamamında teori ve deney arasındaki en büyük tutarsızlık"[1] ve "fizik tarihinde muhtemelen en kötü teorik öngörü"[3] olarak tanımlanan bir durumdur.
Tarih
[değiştir]
Vakum enerjisinin bir kütleçekimsel etki üretmesiyle ilgili temel problem, 1916'da Walther Nernst tarafından belirlenmişti[4][5][6]. Bu değerin sıfır veya çok küçük olması gerektiğini öngörmüştü. 1926'da Wilhelm Lenz, "Eğer gözlemlenebilir en kısa dalga boylarına λ ≈ 2 × 10−11 cm izin verilirse... ve bu radyasyon, madde yoğunluğuna dönüştürülürse (u/c2 ≈ 106), gözlemlenebilir evrenin eğriliğine katkıda bulunursa – gözlemlenebilir evrenin yarıçapının Ay'a bile ulaşmayacağı büyüklükte bir vakum enerji yoğunluğu elde edilirdi." sonucuna varmıştır[7][6].
1940'larda kuantum alan teorisinin geliştirilmesinden sonra, kuantum dalgalanmalarının kozmolojik sabite katkılarını ele alan ilk kişi 1960'larda Yakov Zeldovich olmuştur[8][9]. Kuantum mekaniğinde, vakumun kendisi kuantum dalgalanmaları yaşar. Genel görelilikte, bu kuantum dalgalanmaları kozmolojik sabite eklenecek bir enerji oluşturur. Bununla birlikte, bu hesaplanan vakum enerji yoğunluğu, gözlemlenen kozmolojik sabitten çok daha büyüktür[10]. Uyumsuzluk derecesinin ilk tahminleri 120 ila 122 mertebe büyüklüğündeydi[11][12]; ancak modern araştırmalar, Lorentz değişmezliği dikkate alındığında, uyumsuzluk derecesinin 60 mertebe büyüklüğüne daha yakın olduğunu göstermektedir[12][13].
1980'lerde enflasyonist kozmolojinin gelişmesiyle, problem çok daha önemli hale geldi: kozmik enflasyon vakum enerjisi tarafından yönlendirildiğinden, vakum enerjisinin modellenmesindeki farklılıklar, ortaya çıkan kozmolojilerde büyük farklılıklara yol açar. Bir zamanlar düşünüldüğü gibi vakum enerjisi tam olarak sıfır olsaydı, standart Λ-CDM modeline göre, gözlemlendiği gibi evrenin genişlemesi hızlanmazdı[14].
Tahmini değerler
[değiştir]
Planck işbirliğinin 2015 ölçümlerine dayalı olarak Evrenin vakum enerji yoğunluğu ρvac = 5.96×10−27 kg/m3 ≘ 5.3566×10−10 J/m3 = 3.35 GeV/m3[15][dipnot 1] veya geometrileştirilmiş birimlerde yaklaşık 2.5×10−47 GeV4'tür.
2012 yılında Paris Astrofizik Enstitüsü'nden Jérôme Martin tarafından yapılan bir değerlendirme, yaklaşık 55 mertebe büyüklüğünde bir fark için beklenen teorik vakum enerji ölçeğini 108 GeV4 civarında yerleştirdi[12].
Kesme bağımlılığı ve yeniden normalleştirme
[değiştir]
Hesaplanan vakum enerjisi, kozmolojik sabite pozitif, negatif değil, bir katkıdır çünkü mevcut vakumun negatif kuantum mekanik basıncı vardır; genel görelilikte ise, negatif basıncın kütleçekimsel etkisi bir tür itmedir. (Buradaki basınç, bir yüzey boyunca kuantum mekanik momentumunun akışı olarak tanımlanır.) Kabaca, vakum enerjisi, bilinen tüm kuantum mekanik alanlar üzerinde toplanarak, temel durumlar arasındaki etkileşimleri ve kendi kendine etkileşimleri dikkate alarak ve daha sonra mevcut teorilerin bozulduğunu ve kesme ölçeği civarında uygulanabilir olmaktan çıkabileceğini yansıtacak şekilde minimum bir "kesme" dalga boyunun altındaki tüm etkileşimleri kaldırarak hesaplanır. Enerji, alanların mevcut vakum durumunda nasıl etkileşime girdiğine bağlı olduğundan, vakum enerjisi katkısı erken evrende farklı olurdu; örneğin, vakum enerjisi, kuark çağında elektrozayıf simetri kırılmasından önce önemli ölçüde farklı olurdu[12].
Kuantum alan teorisindeki vakum enerjisi, yeniden normalleştirme ile herhangi bir değere ayarlanabilir. Bu görüş, kozmolojik sabiti, teori tarafından öngörülmeyen veya açıklanmayan başka bir temel fiziksel sabit olarak ele alır[16]. Teori ve gözlem arasındaki çok mertebeli büyüklükteki tutarsızlık nedeniyle, böyle bir yeniden normalleştirme sabiti çok doğru bir şekilde seçilmelidir ve birçok teorisyen bu özel durum sabitini problemi görmezden gelmekle eşdeğer olarak görmektedir[1].
Kesme düzenleme şeması için Planck kütlesinin kesme değeri olarak kullanılması, vakum enerjisi ile kozmolojik sabit arasında 120 mertebe büyüklüğünde bir fark sağlar[17]. Ancak bu yöntem Lorentz kovaryansını ihlal eder[17]. Bunun yerine boyutlu düzenleme kullanılması, bu farkı yaklaşık 56 mertebe büyüklüğüne düşürür[17].
Önerilen çözümler
[değiştir]
Bazı öneriler, kütleçekiminin genel görelilikten sapması için değişiklikler içerir. Bu öneriler, şimdiye kadarki gözlem ve deney sonuçlarının genel görelilik ve ΛCDM modeliyle son derece tutarlı olma ve şimdiye kadar önerilen değişikliklerle tutarsız olma engeline sahiptir. Ayrıca, bazı öneriler tartışmalı bir şekilde eksiktir, çünkü "yeni" kozmolojik sabit problemini, gerçek kozmolojik sabitin küçük bir sayı yerine tam olarak sıfır olduğunu öne sürerek çözmektedir, ancak kuantum dalgalanmalarının neden baştan itibaren önemli vakum enerjisi üretmediği "eski" kozmolojik sabit problemini çözmeyi başaramazlar. Bununla birlikte, birçok fizikçi, kısmen daha iyi alternatiflerin olmaması nedeniyle, kütleçekimini değiştirme önerilerinin "kozmolojik sabit problemiyle mücadele etmek için en umut verici yollardan biri" olarak kabul edilmesi gerektiğini savunmaktadır[18].
Bill Unruh ve işbirlikçileri, kuantum vakumunun enerji yoğunluğu daha doğru bir şekilde dalgalanan bir kuantum alanı olarak modellendiğinde, kozmolojik sabit probleminin ortaya çıkmadığını savunmuşlardır[19]. Farklı bir yöne giden George F. R. Ellis ve diğerleri, unimodular kütleçekiminde, sorunlu katkıların basitçe kütleçekimsel etki yaratmadığını öne sürmüşlerdir[20][21]. Son zamanlarda, kozmolojik sabitin bir integrasyon sabiti olarak ortaya çıktığı, izsiz Einstein kütleçekiminin hareket denklemlerini veren tamamen difeomorfizm-değişmez bir eylem ilkesi önerilmiştir[22].
Stanley Brodsky ve Robert Shrock'a göre bir başka argüman ise, ışık cephesi kuantizasyonunda, kuantum alan teorisi vakumunun temelde önemsiz hale gelmesidir. Vakum beklenen değerlerinin olmaması durumunda, kuantum elektrodinamiğinden, zayıf etkileşimlerden ve kuantum kromodinamiğinden kozmolojik sabite hiçbir katkı yoktur. Bu nedenle, düz bir uzay-zamanda sıfır olduğu tahmin edilmektedir[23][24]. Işık cephesi kuantizasyonundan elde edilen bilgilerden, kozmolojik sabit probleminin kökeni, standart hesaplamadaki fiziksel olmayan nedensel olmayan terimlere kadar izlenebilir ve bu da kozmolojik sabitin yanlış bir şekilde büyük bir değerine yol açar[25].
2018'de, maddenin sıfır olmayan bir basınç gösterdiği bir Lagrangian formülünde bir simetri kırma potansiyeli kullanılarak Λ'nın yok edilmesi için bir mekanizma önerilmiştir. Model, standart maddenin, kozmolojik sabitten kaynaklanan etkiyi dengeleyen bir basınç sağladığını varsayar. Luongo ve Muccino, bu mekanizmanın, vakum enerjisinin kuantum alan teorisinin öngördüğü gibi alınmasına izin verdiğini, ancak yalnızca baryonlar ve soğuk karanlık maddeden kaynaklanan bir karşı denge terimiyle muazzam büyüklüğün giderildiğini göstermiştir[26].
1999'da Andrew Cohen, David B. Kaplan ve Ann Nelson, etkili kuantum alan teorisindeki UV ve IR kesme değerleri arasındaki korelasyonların, Cohen-Kaplan-Nelson (CKN) sınırı nedeniyle teorik kozmolojik sabiti ölçülen kozmolojik sabite düşürmek için yeterli olduğunu öne sürmüşlerdir[27]. 2021 yılında Nikita Blinov ve Patrick Draper, holografik ilke aracılığıyla CKN sınırının, daha az aşırı koşullarda etkili alan teorisinin öngörülerini korurken, ölçülen kozmolojik sabiti öngördüğünü doğrulamıştır[28].
Bazıları antropik bir çözüm önermektedir[29] ve farklı vakum enerjilerine sahip farklı bölgelere sahip geniş bir çoklu evrende yaşadığımızı savunmaktadır. Bu antropik argümanlar, bizim yaşadığımız gibi küçük vakum enerjili bölgelerin, zeki yaşamı destekleme kapasitesine sahip olma olasılığının makul düzeyde olduğunu öne sürmektedir. Bu tür argümanlar en az 1981'den beri bir şekilde mevcuttur. 1987 civarında, Steven Weinberg, kütleçekimsel olarak bağlı yapıların oluşması için izin verilen maksimum vakum enerjisinin, 1987'de mevcut olan gözlemsel verilere rağmen sorunlu bir şekilde büyük olduğunu tahmin etti ve antropik açıklamanın başarısız olduğu sonucuna vardı; ancak, Weinberg ve diğerlerinin diğer hususlar temelinde yaptığı daha yeni tahminler, sınırın gerçek gözlemlenen karanlık enerji seviyesine daha yakın olduğunu bulmaktadır[30][31]. Antropik argümanlar, karanlık enerjinin keşfedilmesinden ve teorik sicim teorisi manzarasının geliştirilmesinden sonra birçok fizikçi arasında giderek daha fazla kabul görse de, bilim camiasının önemli bir şüpheci kesimince doğrulanması sorunlu olduğu için hala eleştirilmektedir. Antropik çözümlerin savunucuları, evrenin çeşitli karanlık enerji sabitlerine sahip bölgelerinin oranını nasıl hesaplayacaklarına dair birden fazla teknik soruda kendileri arasında bölünmüş durumdadır[30][18].
Ayrıca bakınız
[değiştir]
Fizikte çözümsüz problemler listesi
Ultraviyole felaketi – Kara cisim radyasyonunun klasik fizik öngörüsü, frekansla sınırsız bir şekilde artar
Kozmik tesadüf – Kozmolojide sayısal gözlem
Dipnotlar
[değiştir]
Kaynaklar
[değiştir]