ค่าคงที่จักรวาลและพลังงานสุญญากาศ

พลังงานมืดในรูปแบบที่ง่ายที่สุดคือพลังงานคงที่ของอวกาศว่างเปล่า ซึ่งก็คือค่าคงที่จักรวาลของไอน์สไตน์ แต่ค่าที่สังเกตได้นั้นเล็กกว่าที่ทฤษฎีทำนายไว้อย่างมหาศาล

Definition

ค่าคงที่จักรวาลคือพจน์คงที่ในสมการสนามของไอน์สไตน์ที่สอดคล้องกับความหนาแน่นพลังงานสม่ำเสมอของสุญญากาศที่มีความดันเป็นลบ ซึ่งระบุว่าเป็นพลังงานมืด มันทำให้เกิดการขยายตัวแบบเร่ง และขนาดที่สังเกตได้นั้นน้อยกว่าความคาดหวังทางทฤษฎีอย่างง่ายหลายอันดับความแตกต่าง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมค่าคงที่จักรวาลในฐานะพจน์หนึ่งในสมการของไอน์สไตน์และการตีความว่าเป็นความหนาแน่นพลังงานของสุญญากาศ วิธีที่องค์ประกอบความดันลบคงที่ขับเคลื่อนการเร่งตัว และปัญหาค่าคงที่จักรวาลที่เกิดจากความไม่ตรงกันอย่างมากระหว่างค่าที่สังเกตได้กับการประมาณการตามทฤษฎีสนามควอนตัม

Core questions

• ค่าคงที่จักรวาลคืออะไร และมีความสัมพันธ์กับพลังงานสุญญากาศอย่างไร?
• เหตุใดพลังงานสุญญากาศคงที่จึงทำให้เกิดการเร่งตัว?
• เหตุใดปัญหาค่าคงที่จักรวาลจึงรุนแรงมาก?

Key concepts

• ค่าคงที่จักรวาล
• พลังงานสุญญากาศ
• ความดันลบ
• สมการสถานะ w เท่ากับลบหนึ่ง
• ปัญหาค่าคงที่จักรวาล
• ข้อโต้แย้งแบบมนุษย์
• แลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม

Key theories

พลังงานสุญญากาศในฐานะแลมบ์ดา

ทฤษฎีสนามควอนตัมทำนายว่าสุญญากาศมีพลังงาน ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงเหมือนค่าคงที่จักรวาลที่มีความดันเป็นลบ ทำให้เป็นตัวเลือกที่เป็นธรรมชาติสำหรับพลังงานมืดภายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ปัญหาค่าคงที่จักรวาล

การประมาณค่าพลังงานสุญญากาศจากฟิสิกส์อนุภาคเกินความหนาแน่นพลังงานมืดที่สังเกตได้หลายสิบอันดับความแตกต่าง ซึ่งเป็นความคลาดเคลื่อนที่นับเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขที่ลึกซึ้งที่สุดที่เชื่อมโยงแรงโน้มถ่วงและทฤษฎีควอนตัม

Mechanisms

ค่าคงที่จักรวาลสอดคล้องกับความหนาแน่นพลังงานที่ไม่เจือจางเมื่อเอกภพขยายตัว เนื่องจากความดันของมันเท่ากับลบความหนาแน่นพลังงานของมัน สมการฟรีดมันน์ที่สองจึงให้การขยายตัวแบบเร่งเมื่อมันมีอิทธิพลเหนือกว่า ในขณะที่การรวมพลังงานจุดศูนย์ของสนามควอนตัมให้ค่าที่ใหญ่กว่าที่สังเกตได้มาก

Clinical relevance

ค่าคงที่จักรวาลเป็นรากฐานของแบบจำลอง Lambda-CDM มาตรฐานและสอดคล้องกับข้อมูลปัจจุบันทั้งหมด ทว่าความเล็กจิ๋วของค่าที่ไม่สามารถอธิบายได้นั้นตั้งอยู่ที่จุดตัดของจักรวาลวิทยา ฟิสิกส์อนุภาค และแรงโน้มถ่วงควอนตัม ซึ่งเป็นแรงจูงใจให้เกิดแนวคิดตั้งแต่สมมาตรยิ่งยวดไปจนถึงพหุภพ

History

ไอน์สไตน์ได้นำเสนอค่าคงที่นี้ในปี 1917 และภายหลังเสียใจกับการกระทำดังกล่าว หลังจากมีการค้นพบการขยายตัว ค่านี้ก็ถูกละทิ้งไปเป็นส่วนใหญ่ แต่เซลโดวิชได้เชื่อมโยงมันเข้ากับพลังงานสุญญากาศในทศวรรษ 1960 ไวน์เบิร์กได้ทำให้ปัญหาชัดเจนขึ้นในปี 1989 และการค้นพบการเร่งตัวในปี 1998 ได้นำค่าบวกขนาดเล็กกลับมาเป็นจุดสนใจอีกครั้ง

Debates

เหตุใดแลมบ์ดาจึงมีค่าน้อยแต่ไม่เป็นศูนย์?

การอธิบายค่าคงที่จักรวาลที่เล็กจิ๋วแต่ไม่เป็นศูนย์ได้นำไปสู่ข้อเสนอต่างๆ ตั้งแต่กลไกการหักล้างที่ไม่รู้จักไปจนถึงการเลือกแบบมนุษย์ในพหุภพ ซึ่งยังไม่มีข้อใดได้รับการยืนยัน ทำให้ปัญหายังคงเปิดอยู่

Key figures

• Albert Einstein
• Steven Weinberg
• Yakov Zeldovich
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• weinberg1989

Frequently asked questions

ค่าคงที่จักรวาลเหมือนกับพลังงานมืดหรือไม่?

ค่าคงที่จักรวาลเป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุดของพลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังงานสุญญากาศคงที่ พลังงานมืดเป็นคำที่กว้างกว่าซึ่งรวมถึงทางเลือกแบบพลวัตด้วย ดังนั้นค่าคงที่จึงเป็นแบบจำลองเฉพาะของพลังงานมืดที่ได้รับความนิยมในปัจจุบัน

เหตุใดปัญหาค่าคงที่จักรวาลจึงถูกเรียกว่าเป็นการทำนายที่แย่ที่สุดในฟิสิกส์?

เนื่องจากการประมาณค่าพลังงานสุญญากาศตามทฤษฎีสนามควอนตัมอย่างง่ายเกินค่าที่สังเกตได้ประมาณ 120 อันดับความแตกต่าง ซึ่งเป็นความไม่ตรงกันระหว่างทฤษฎีและการสังเกตการณ์ที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน ซึ่งยังไม่มีกลไกใดที่ได้รับการยอมรับสามารถแก้ไขได้