Hằng số vũ trụ và Năng lượng chân không

Dạng đơn giản nhất của năng lượng tối là năng lượng không đổi của không gian trống, hằng số vũ trụ của Einstein, nhưng giá trị quan sát được của nó nhỏ hơn rất nhiều so với dự đoán của lý thuyết.

Definition

Hằng số vũ trụ là một thuật ngữ không đổi trong các phương trình trường của Einstein tương ứng với mật độ năng lượng đồng nhất của chân không với áp suất âm; được xác định là năng lượng tối, nó tạo ra sự giãn nở tăng tốc, và độ lớn quan sát được của nó thấp hơn nhiều bậc độ lớn so với kỳ vọng lý thuyết ngây thơ.

Scope

Chủ đề này bao gồm hằng số vũ trụ như một thuật ngữ trong các phương trình của Einstein và cách giải thích nó như mật độ năng lượng của chân không, cách một thành phần áp suất âm không đổi thúc đẩy sự tăng tốc, và vấn đề hằng số vũ trụ đặt ra bởi sự khác biệt lớn giữa giá trị quan sát được và các ước tính của lý thuyết trường lượng tử.

Core questions

• Hằng số vũ trụ là gì và nó liên quan đến năng lượng chân không như thế nào?
• Tại sao năng lượng chân không không đổi lại gây ra sự tăng tốc?
• Tại sao vấn đề hằng số vũ trụ lại nghiêm trọng đến vậy?

Key concepts

• Hằng số vũ trụ
• Năng lượng chân không
• Áp suất âm
• Phương trình trạng thái w bằng âm một
• Vấn đề hằng số vũ trụ
• Lập luận nhân bản
• Lambda-CDM

Key theories

Năng lượng chân không dưới dạng Lambda

Lý thuyết trường lượng tử dự đoán chân không mang năng lượng, năng lượng này hấp dẫn như một hằng số vũ trụ với áp suất âm, cung cấp một ứng cử viên tự nhiên cho năng lượng tối trong thuyết tương đối rộng.

Vấn đề hằng số vũ trụ

Các ước tính về năng lượng chân không từ vật lý hạt vượt quá mật độ năng lượng tối quan sát được hàng chục bậc độ lớn, một sự khác biệt là một trong những vấn đề chưa được giải quyết sâu sắc nhất liên kết hấp dẫn và lý thuyết lượng tử.

Mechanisms

Hằng số vũ trụ tương ứng với mật độ năng lượng không bị pha loãng khi vũ trụ giãn nở; vì áp suất của nó bằng âm mật độ năng lượng của nó, phương trình Friedmann thứ hai cho thấy sự giãn nở tăng tốc khi nó chiếm ưu thế, trong khi việc tổng hợp các năng lượng điểm không của các trường lượng tử mang lại một giá trị lớn hơn nhiều so với quan sát được.

Clinical relevance

Hằng số vũ trụ là nền tảng của mô hình Lambda-CDM tiêu chuẩn và phù hợp với tất cả dữ liệu hiện tại, tuy nhiên sự nhỏ bé không giải thích được của giá trị của nó nằm ở giao điểm của vũ trụ học, vật lý hạt và hấp dẫn lượng tử, thúc đẩy các ý tưởng từ siêu đối xứng đến đa vũ trụ.

History

Einstein đã giới thiệu hằng số này vào năm 1917 và sau đó hối tiếc; sau khi phát hiện ra sự giãn nở, nó phần lớn bị gạt sang một bên, nhưng Zeldovich đã liên kết nó với năng lượng chân không vào những năm 1960, Weinberg đã làm rõ vấn đề vào năm 1989, và phát hiện về sự tăng tốc vào năm 1998 đã đưa một giá trị dương nhỏ trở lại vị trí trung tâm.

Debates

Tại sao Lambda lại rất nhỏ nhưng khác không?

Việc giải thích giá trị nhỏ bé, khác không của hằng số vũ trụ đã thúc đẩy các đề xuất từ các cơ chế triệt tiêu không xác định đến lựa chọn nhân bản trong một đa vũ trụ, không có đề xuất nào được thiết lập, khiến vấn đề vẫn còn bỏ ngỏ.

Key figures

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

Seminal works

• weinberg1989

Frequently asked questions

Hằng số vũ trụ có giống với năng lượng tối không?

Hằng số vũ trụ là dạng đơn giản nhất có thể có của năng lượng tối, một năng lượng chân không không đổi; năng lượng tối là thuật ngữ rộng hơn cũng bao gồm các lựa chọn thay thế động, vì vậy hằng số là một mô hình cụ thể, hiện đang được ưa chuộng, của năng lượng tối.

Tại sao vấn đề hằng số vũ trụ được gọi là dự đoán tồi tệ nhất trong vật lý?

Bởi vì các ước tính lý thuyết trường lượng tử ngây thơ về năng lượng chân không vượt quá giá trị quan sát được khoảng 120 bậc độ lớn, một sự khác biệt chưa từng có giữa lý thuyết và quan sát mà chưa có cơ chế chấp nhận nào giải quyết được.