มีปัญหาพื้นฐานในวิชาฟิสิกส์
หมายเลขเดียวที่เรียกว่าค่าคงที่ทางดาราศาสตร์เชื่อมโยงโลกกล้องจุลทรรศน์ด้วยกลศาสตร์ควอนตัมและโลกมหภาคของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ แต่ไม่มีทฤษฎีใดที่สามารถเห็นคุณค่าของมัน
ในความเป็นจริงมันมีความแตกต่างกันอย่างมากระหว่างค่าที่สังเกตได้จากค่าคงที่นี้กับสิ่งที่ทฤษฎีทำนายว่ามันเป็นการคาดการณ์ที่เลวร้ายที่สุดในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์ การแก้ไขความคลาดเคลื่อนอาจเป็นเป้าหมายที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์เชิงทฤษฎีในศตวรรษนี้
Lucas Lombriser ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเจนีวาในสวิตเซอร์แลนด์ได้นำเสนอวิธีการใหม่ในการประเมินสมการแรงโน้มถ่วงของ Albert Einstein เพื่อหาค่าของค่าคงที่ทางดาราศาสตร์ที่ใกล้เคียงกับค่าที่สังเกต เขาตีพิมพ์วิธีการของเขาทางออนไลน์ในวารสาร Physics Letters B ฉบับวันที่ 10 ตุลาคม
ความผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดของ Einstein กลายเป็นพลังงานมืดได้อย่างไร
เรื่องราวของค่าคงที่เอกภพเริ่มขึ้นเมื่อหนึ่งศตวรรษก่อนเมื่อไอน์สไตน์นำเสนอชุดสมการที่รู้จักกันในชื่อสมการฟิลด์ไอน์สไตน์ซึ่งกลายเป็นกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา สมการอธิบายว่าสสารและพลังงานแปรปรวนโครงสร้างของอวกาศและเวลาเพื่อสร้างแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร ในเวลานั้นทั้งไอน์สไตน์และนักดาราศาสตร์เห็นพ้องกันว่าเอกภพมีขนาดคงที่และพื้นที่โดยรวมระหว่างกาแลคซีก็ไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตามเมื่อ Einstein ใช้ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปกับจักรวาลโดยรวมทฤษฎีของเขาทำนายจักรวาลที่ไม่แน่นอนซึ่งอาจขยายหรือหดตัว เพื่อบังคับให้เอกภพคงที่ Einstein ตรึงกับค่าคงที่ของจักรวาล
เกือบหนึ่งทศวรรษต่อมานักฟิสิกส์อีกคนหนึ่งชื่อเอ็ดวินฮับเบิลได้ค้นพบว่าจักรวาลของเราไม่คงที่ แต่กำลังขยายตัว แสงจากกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลแสดงให้เห็นว่าพวกมันทั้งหมดเคลื่อนห่างจากกันและกัน การเปิดเผยนี้ชักชวน Einstein ให้ละทิ้งค่าคงที่ทางดาราศาสตร์จากสมการสนามของเขาเนื่องจากไม่จำเป็นต้องอธิบายการขยายตัวของเอกภพอีกต่อไป ตำนานฟิสิกส์บอกว่าไอน์สไตน์สารภาพในภายหลังว่าการแนะนำค่าคงที่จักรวาลอาจเป็นความผิดพลาดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของเขา
ในปี 1998 การสังเกตการณ์ของซุปเปอร์โนวาที่อยู่ห่างไกลแสดงให้เห็นว่าจักรวาลไม่ได้มีแค่การขยายตัวเท่านั้น แต่การขยายตัวกำลังเพิ่มขึ้น กาแลคซีต่างเร่งกันออกไปราวกับว่ามีบางคนที่ไม่รู้จักกำลังเอาชนะแรงโน้มถ่วงและผลักกาแลคซีเหล่านั้นออกจากกัน นักฟิสิกส์ได้ตั้งชื่อปรากฏการณ์มืดพลังงานลึกลับนี้เนื่องจากธรรมชาติที่แท้จริงของมันยังคงเป็นปริศนา
นักฟิสิกส์ได้แนะนำค่าคงที่ของจักรวาลให้เป็นสมการภาคสนามของ Einstein อีกครั้งเพื่ออธิบายพลังงานมืด ในรูปแบบมาตรฐานปัจจุบันของจักรวาลวิทยาที่รู้จักกันในชื่อΛCDM (แลมบ์ดา CDM) ค่าคงที่ของจักรวาลสามารถใช้แทนพลังงานมืดได้ นักดาราศาสตร์ประเมินมูลค่าของมันจากการสำรวจซุปเปอร์โนวาที่อยู่ห่างไกลและความผันผวนในพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล แม้ว่าค่ามีขนาดเล็กอย่างไร้เหตุผล (ตามคำสั่งของ 10 ^ -52 ต่อตารางเมตร) ในระดับของจักรวาลก็มีความสำคัญพอที่จะอธิบายการขยายตัวของพื้นที่เร่ง
"ค่าคงที่เอกภพในปัจจุบันประกอบด้วยประมาณ 70% ของปริมาณพลังงานในจักรวาลของเราซึ่งเป็นสิ่งที่เราสามารถอนุมานได้จากการขยายตัวเร่งที่สังเกตเห็นว่าจักรวาลของเรากำลังอยู่ในขณะนี้แต่ทว่าไม่เข้าใจค่าคงที่นี้" Lombriser กล่าว "ความพยายามที่จะอธิบายมันล้มเหลวและดูเหมือนว่ามีบางสิ่งพื้นฐานที่เราขาดหายไปในการที่เราเข้าใจจักรวาลการไขปริศนานี้เป็นหนึ่งในสาขาการวิจัยที่สำคัญในฟิสิกส์ยุคใหม่โดยทั่วไปคาดว่าการแก้ไขปัญหาอาจนำไปสู่ เราต้องมีความเข้าใจพื้นฐานทางฟิสิกส์มากขึ้น "
การทำนายเชิงทฤษฎีที่เลวร้ายที่สุดในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์
ค่าคงที่เอกภพคิดว่าเป็นตัวแทนของสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "พลังงานสุญญากาศ" ทฤษฎีสนามควอนตัมระบุว่าแม้ในสุญญากาศว่างเปล่าที่ว่างเปล่าอนุภาคเสมือนปรากฏขึ้นและออกจากการดำรงอยู่และสร้างพลังงาน - เป็นความคิดที่ไร้สาระดูเหมือน แต่เป็นสิ่งที่สังเกตได้จากการทดลอง ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อนักฟิสิกส์พยายามคำนวณการมีส่วนร่วมกับค่าคงที่ของจักรวาล ผลลัพธ์ของพวกเขาแตกต่างจากการสังเกตโดยปัจจัยที่ทำให้ไม่สามารถเชื่อได้ที่ 10 ^ 121 (นั่นคือ 10 ตามด้วย 120 ศูนย์) ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดระหว่างทฤษฎีและการทดลองในทุกฟิสิกส์
ความแตกต่างดังกล่าวทำให้นักฟิสิกส์บางคนสงสัยในสมการแรงโน้มถ่วงดั้งเดิมของ Einstein บางคนถึงกับแนะนำรูปแบบทางเลือกของแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตามหลักฐานเพิ่มเติมของคลื่นความโน้มถ่วงโดย Laser Interferometer Gravitational-Observatory (LIGO) ได้สร้างความสัมพันธ์ทั่วไปเท่านั้นและทำให้ทฤษฎีทางเลือกเหล่านี้เลิกใช้แล้ว ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแทนที่จะคิดใหม่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง Lombriser จึงใช้วิธีการที่แตกต่างเพื่อไขปริศนาจักรวาลนี้
“ กลไกที่ฉันเสนอไม่ได้ปรับเปลี่ยนสมการภาคสนามของไอน์สไตน์” Lombriser กล่าว แต่จะเป็นการเพิ่มสมการด้านบนของสมการภาคสนามของ Einstein แทน
ค่าคงตัวความโน้มถ่วงซึ่งถูกใช้ครั้งแรกในกฎแรงโน้มถ่วงของไอแซกนิวตันและตอนนี้เป็นส่วนสำคัญของสมการภาคสนามของไอน์สไตน์อธิบายขนาดของแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุ มันถือเป็นหนึ่งในค่าคงที่พื้นฐานของฟิสิกส์ไม่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดกาลตั้งแต่เริ่มต้นของจักรวาล Lombriser ได้ตั้งสมมติฐานอย่างมากว่าค่าคงที่นี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้
ในการปรับเปลี่ยนของทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Lombriser ค่าคงที่ความโน้มถ่วงยังคงเหมือนเดิมภายในเอกภพที่สังเกตเห็นได้ของเรา แต่อาจแตกต่างไปจากนี้ เขาเสนอสถานการณ์จำลองที่อาจมีร่องรอยของจักรวาลที่มองไม่เห็นสำหรับเราซึ่งมีค่าแตกต่างกันสำหรับค่าคงที่พื้นฐาน
การแปรปรวนของแรงโน้มถ่วงทำให้ Lombriser มีสมการเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับค่าคงที่ของจักรวาลกับผลรวมเฉลี่ยของสสารในเวลาอวกาศ หลังจากที่เขาคิดค่าประมาณมวลของกาแลคซีดวงดาวและสสารมืดของจักรวาลเขาสามารถแก้สมการใหม่นั้นเพื่อให้ได้ค่าใหม่สำหรับค่าคงที่ทางดาราศาสตร์ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตอย่างใกล้ชิด
ด้วยการใช้พารามิเตอร์ใหม่ΩΛ (omega lambda) ที่แสดงถึงส่วนของเอกภพที่ทำจากสสารมืดเขาพบว่าจักรวาลประกอบด้วยพลังงานมืดประมาณ 74% ตัวเลขนี้มีค่าใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการสำรวจ 68.5% ซึ่งเป็นการปรับปรุงที่เหนือกว่าความเหลื่อมล้ำขนาดใหญ่ที่พบโดยทฤษฎีสนามควอนตัม
แม้ว่ากรอบการทำงานของ Lombriser อาจช่วยแก้ปัญหาค่าคงที่ทางจักรวาลได้ในขณะนี้ยังไม่มีวิธีการทดสอบ แต่ในอนาคตหากการทดลองจากทฤษฎีอื่น ๆ ตรวจสอบสมการของเขามันอาจหมายถึงการก้าวกระโดดครั้งสำคัญในการทำความเข้าใจพลังงานมืดและให้เครื่องมือในการแก้ปริศนาจักรวาลอื่น ๆ
