Kevin Steysi, Braun Universiteti tərəfindən

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Habbl Kosmik Teleskopu uzaq qalaktikaların Yer kürəsindən yaxınlıqdakı qalaktikalardan daha sürətli uzaqlaşdığını göstərdi ki, bu da kainatın genişlənməsinin kosmoloji sabitlə təsvir edilən sürətlə artdığına işarədir. Bu sabitin dəyəri müasir fizikanın ən böyük sirrlərindən biridir. Mənbə: NASA.

Kosmoloji sabit, kainatın daim sürətlə genişlənməsini idarə edən enerjinin riyazi təsviridir. Bu, həmçinin müasir fizikanın ən davamlı və çaşdırıcı problemlərindən birinin mənbəyidir.

Sabitin müşahidə edilən dəyəri, kainatı təşkil edən elementar hissəcikləri və qüvvələri təsvir edən aparıcı nəzəriyyə olan kvant sahə nəzəriyyəsi (KSN) ilə kökündən ziddiyyət təşkil edir. KSN fəza vakuumundakı kvant dalğalanmalarının sabitin dəyərini nəhəng – praktik olaraq sonsuz – edəcəyini proqnozlaşdırır. Lakin onun müşahidə edilən dəyəri bu proqnozun kiçik bir hissəsidir.

Braun Universitetinin tədqiqatçıları bunun səbəbi ilə bağlı yeni və təxribatçı bir cavab təklif ediblər.

Alimlər göstərir ki, kvant cazibə qüvvəsinin ən sadə formulunun əsasını təşkil edən riyaziyyat, elektrik cərəyanının inanılmaz dəqiqliklə axdığı ekzotik maddə vəziyyəti olan kvant Holl effektini təsvir edən riyaziyyata heyrətamiz dərəcədə bənzəyir. Kvant Holl vəziyyətində , elektrik keçiriciliyi, keçirici materialdakı hər hansı bir qüsurdan asılı olmayaraq, sistemin topologiyası – kvant vəziyyətinin riyazi “forması” tərəfindən sabit saxlanılır. Tədqiqatçılar göstərirlər ki, kvant cazibə qüvvəsinin təklif olunan əsas vəziyyəti olan Çern-Simons-Kodama vəziyyətində də oxşar bir topologiya mövcuddur.

Tədqiqatın həmmüəllifi, Braun Universitetinin fizika professoru Stefon Aleksandr bildirib ki, “Göstərdiyimiz odur ki, əgər məkan-zaman bu qeyri-trivial topologiyaya malikdirsə, o zaman kosmoloji sabitin ən ölümcül problemlərindən birini həll edir. Kosmoloji sabitin dəyərini artırmalı olan bütün kvant pozuntuları bu topologiya tərəfindən inert hala gətirilir və bu da sabitin dəyərini sabit saxlayır.”

Aleksandrın Braun Nəzəri Fizika Mərkəzindəki həmkarları Aaron Hui və Heliudson Bernardo ilə birgə yazdığı tədqiqat Physical Review Letters jurnalında dərc olunub .

“Çirkin” termini

Kosmoloji sabit ilk dəfə Eynşteynin ümumi nisbilik nəzəriyyəsi kimi tanınan kanonik məkan, zaman və cazibə nəzəriyyəsini təsvir edən tənliklərdə bir termin kimi ortaya çıxdı. Eynşteyn riyazi kainatını sabitləşdirmək üçün bu termini tətbiq etmək məcburiyyətində qaldı. Bu termin, cazibə qüvvəsinə qarşı çıxan və kainatın öz-özünə çökməsinin qarşısını alan, fəza vakuumunda mövcud olan itələyici qüvvəni təmsil edirdi.

Lakin 1929-cu ildə kosmoloji sabitə ekzistensial zərbə vuruldu. Astronom Edvin Habl kainatın Eynşteynin fərz etdiyi qədər sabit olmadığını kəşf etdi. Statik qalmaq əvəzinə, genişlənirdi. Bu kəşf Eynşteynə sabitləşdirici termini tənliklərindən çıxarmağa imkan verdi və bunu bir qədər rahatlıqla etdi. O, bunu uzun müddət “çirkin” hesab edirdi və iddia edilir ki, bunu özünün “ən böyük səhvi” adlandırıb.

Habblın kəşfindən sonra kosmoloji sabit təxminən yarım əsr elmi tullantı yığınına sərf etdi. Lakin bu, 1998-ci ildə alimlər kainatın genişlənməsinin sabit bir sürətlə baş vermədiyini, sürətləndiyini kəşf etdikdə dəyişdi. Bu kəşf bir daha kosmoloji sabiti kainatın genişlənməsinin artan sürətini təsvir etmək üçün zəruri etdi.

Eynşteynin çirkin termini geri qayıtmaqla yanaşı, əvvəlkindən daha çirkin idi. Sabitin sürgünü zamanı kvant sahə nəzəriyyəsi hissəciklər fizikasının Standart Modelinin əsasını təşkil etmişdi. QFT-yə görə, boş fəza heç də boş deyil. Əksinə, bu, daim mövcudluğa daxil olub yox olan elementar hissəciklərin qaynayan bir şorbasıdır.

Bütün bu fəaliyyət kosmosun vakuum enerjisinin — kosmoloji sabitlə təsvir edilən enerjinin — praktik olaraq sonsuz olmasına səbəb olmalıdır. Lakin kosmik genişlənmə sürəti ilə qiymətləndirilən müşahidə olunan dəyəri qətiliklə sonsuzluq deyil. Sonsuz bir dəyər kainatın qalaktikalar, planetlər və ya fiziklər kimi şeylərin əmələ gəlməsinə imkan verməyəcək qədər sürətlə genişlənməsinə səbəb olardı.

Elementar hissəciklər üzərində aparılan təcrübələr QFT-nin bütün elmdə ən dəqiq və uğurlu nəzəriyyələrdən biri olduğunu göstərdi ki, bu da onun kosmoloji sabit haqqında səhv görünən proqnozlarını daha da çaşdırıcı edir.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Topoloji cəhətdən qorunur

Aleksandr illərdir kvant sahə nəzəriyyəsindən irəli gələn kvant cazibə qüvvəsinin təklif olunan vəziyyəti olan Çern-Simons-Kodama (CSK) nəzəriyyəsini öyrənir. Alimlər hələ də kvant cazibə qüvvəsi nəzəriyyəsi – cazibə qüvvəsinin ən kiçik miqyaslarda necə işlədiyini izah edən bir nəzəriyyə üzərində qərarlaşmayıblar, lakin Aleksandrın fikrincə, CSK vəziyyəti daha sadə namizədlərdən biridir.

“Bu, cazibə qüvvəsinin kvantlaşdırılmasına həqiqətən mühafizəkar bir yanaşmadır”, – deyə o bildirib. “Bu, Dirak, Şrödinger və Uiler kimi insanlar tərəfindən istifadə edilən yanaşmadır. Bu, sadəcə yaxşı, köhnə üsulla kvantlaşdırmadır.”

Aleksandr CSK ilə kvant Hall effektinin arxasındakı riyazi hesablamalar arasında bəzi riyazi oxşarlıqların olduğunu bilirdi, lakin bunlardan nə çıxaracağını tam bilmirdi. Məhz o zaman o, kvant Hall effektində ortaya çıxan topoloji sistemlər üzrə ixtisaslaşmış Brown Universitetinin dosenti Huiyə müraciət etdi.

“Brown Nəzəri Fizika Mərkəzinin gözəlliyi budur”, – deyə Aleksandr bildirib. “Biz bir çox perspektivlərin qarışdığı bir yer olmaq istəyirik və bu, təbliğ etdiyimiz şeyləri tətbiq edən bizik – kondensləşdirilmiş maddə nəzəriyyəçisi ilə sıx əməkdaşlıq edən bir kosmoloq.”

Tədqiqatçılar birlikdə kosmoloji sabitin CSK vəziyyətində kvant Holl effektindəki elektrik keçiriciliyinə bənzər “topoloji qoruma”ya malik olduğunu göstərə bildilər. Kvant Holl effekti, elektrik cərəyanının maqnit sahəsinin iştirakı ilə çox nazik materiallardan axması zamanı ortaya çıxır.

Düzbucaqlı zolağa kəsilmiş düz, ikiölçülü metal parçasını təsəvvür edin və zolaq boyunca elektrik cərəyanı axır. Maqnit sahəsinin tətbiqi orijinal cərəyana perpendikulyar olan ikinci bir gərginlik yaradır. Bu, Holl gərginliyi kimi tanınır (onu kəşf edən Edvin Hollun adını daşıyır).

Otaq temperaturunda və nisbətən zəif maqnit sahələri altında, maqnit sahəsinin gücü artdıqca Holl gərginliyi xətti olaraq artır. Lakin kvant mexanikasının qaydalarının üstünlük təşkil etdiyi çox soyuq temperaturlarda və çox güclü maqnit sahələri altında fenomen dəyişir.

Maqnit sahəsinin gücü ilə xətti olaraq artmaq əvəzinə, Hol gərginliyi diskret (və ya kvantlaşdırılmış) pillələrdə və platolarda artmağa başlayır. Pillələr və platolar inanılmaz dərəcədə dəqiq və ardıcıldır, keçirici kimi istifadə olunan metalın növündən və ya onda hər hansı bir qüsurun olub-olmamasından asılı olmayaraq eyni dəyərləri alır.

Bu dəqiqlik və ardıcıllıq sistemin topologiyasından irəli gəlir. Bu ekstremal şəraitdə elektronlar yüksək dərəcədə korrelyasiyalı kollektiv davranış vəziyyətinə daxil olurlar. Məhz həmin kollektiv vəziyyətin riyazi strukturu — onun topologiyası — pillələrin və platoların dəyərlərini yerində saxlayır. Sistem topoloji cəhətdən materialdan və onun qüsurlarından gələn pozuntulardan qorunur, buna görə də pillələr və platolar həmişə eyni dəyərə malikdir.

Tədqiqatçılar göstərir ki, CSK vəziyyətini təsvir edən tənliklərdə çox oxşar topoloji qorunma mövcuddur. Elektron vəziyyətlərinin topologiyası Hol gərginliyini yerində saxladığı kimi, fəza-zaman topologiyası da fəza vakuumunda kvant dalğalanmaları qarşısında belə kosmoloji sabiti yerində saxlayır.

Hui dedi: “Biz kvant Holldakı elektrik keçiriciliyinin bu kvantlaşdırılmasının kosmoloji sabitlə analoqu olduğunu aşkar etdik. Bu, həmçinin topoloji səbəblərə görə kvantlaşdırılır. Nəzəriyyədə kosmoloji sabitin müəyyən icazə verilən kvantlaşdırılmış dəyərləri götürməsinə məcbur edən məhdudiyyətlər olduğu ortaya çıxır.”

Aleksandr deyir ki, kosmoloji sabit probleminin topoloji həllini tam şəkildə müəyyən etmək üçün daha çox iş görülməlidir. Lakin problemin cazibə qüvvəsi aspektinə potensial həll yolu tapmaq vacib bir başlanğıcdır. Ən azından, o deyir ki, bu iş CSK vəziyyətinin uzun müddətdir axtarılan kvant cazibəsi nəzəriyyəsi üçün namizəd kimi profilini gücləndirir.

Aleksandr dedi: “Biz köhnə bir şeyi, yəni kvant cazibə qüvvəsinə mühafizəkar, kanonik yanaşmanı götürdük və əvvəldən mövcud olan yeni bir şey kəşf etdik. İndi bu fenomenin necə işlədiyini daha geniş şəkildə araşdırırıq.”

Nəşr detalları

Stephon Alexander və digərləri, Kvant Qravitasiya θ Vakuumundan Kosmoloji Sabit və Qravitasiya Holl Effekti, Fiziki İcmal Məktubları (2026). DOI: 10.1103/rzz5-p4f4

Jurnal məlumatları: Fiziki icmal məktubları