Ada masalah mendasar dalam fisika.
Satu angka, yang disebut konstanta kosmologis, menjembatani dunia mikroskopis mekanika kuantum dan dunia makroskopis teori relativitas umum Einstein. Tapi tidak ada teori yang bisa menyetujui nilainya.
Bahkan, ada perbedaan besar antara nilai yang diamati dari konstanta ini dan apa yang diprediksi oleh teori bahwa itu secara luas dianggap sebagai prediksi terburuk dalam sejarah fisika. Menyelesaikan perbedaan mungkin merupakan tujuan terpenting dari fisika teoretis abad ini.
Lucas Lombriser, asisten profesor fisika teori di Universitas Jenewa di Swiss, telah memperkenalkan cara baru untuk mengevaluasi persamaan gravitasi Albert Einstein untuk menemukan nilai konstanta kosmologis yang cocok dengan nilai yang diamati. Dia menerbitkan metodenya online dalam edisi 10 Oktober jurnal Physics Letters B.
Bagaimana kesalahan terbesar Einstein menjadi energi gelap
Kisah konstanta kosmologis dimulai lebih dari seabad yang lalu ketika Einstein mempresentasikan seperangkat persamaan, sekarang dikenal sebagai persamaan medan Einstein, yang menjadi kerangka teori relativitas umum. Persamaan menjelaskan bagaimana materi dan energi melilit jalinan ruang dan waktu untuk menciptakan gaya gravitasi. Pada saat itu, baik Einstein maupun astronom sepakat bahwa alam semesta memiliki ukuran yang tetap dan bahwa ruang keseluruhan antara galaksi tidak berubah. Namun, ketika Einstein menerapkan relativitas umum ke alam semesta secara keseluruhan, teorinya meramalkan alam semesta yang tidak stabil yang akan mengembang atau menyusut. Untuk memaksa alam semesta menjadi statis, Einstein menempel pada konstanta kosmologis.
Hampir satu dekade kemudian, fisikawan lain, Edwin Hubble, menemukan bahwa alam semesta kita tidak statis, tetapi mengembang. Cahaya dari galaksi jauh menunjukkan bahwa mereka semua bergerak menjauh satu sama lain. Wahyu ini membujuk Einstein untuk meninggalkan konstanta kosmologis dari persamaan bidangnya karena tidak perlu lagi menjelaskan alam semesta yang mengembang. Pengetahuan fisika menyatakan bahwa Einstein kemudian mengakui bahwa pengenalan konstanta kosmologis mungkin merupakan kesalahan terbesarnya.
Pada tahun 1998, pengamatan terhadap supernova yang jauh menunjukkan bahwa alam semesta tidak hanya berkembang, tetapi juga semakin cepat. Galaksi-galaksi berakselerasi menjauh satu sama lain seolah-olah suatu kekuatan tak dikenal mengatasi gravitasi dan mendorong galaksi-galaksi itu terpisah. Fisikawan menamakan fenomena enigma ini energi gelap, karena sifat aslinya tetap menjadi misteri.
Dalam ironi ironi, fisikawan sekali lagi memperkenalkan kembali konstanta kosmologis ke dalam persamaan medan Einstein untuk menjelaskan energi gelap. Dalam model kosmologi standar saat ini, yang dikenal sebagai ΛCDM (Lambda CDM), konstanta kosmologis dapat dipertukarkan dengan energi gelap. Para astronom bahkan memperkirakan nilainya berdasarkan pengamatan terhadap supernova yang jauh dan fluktuasi dalam latar belakang gelombang mikro kosmik. Meskipun nilainya sangat kecil (pada urutan 10 ^ -52 per meter persegi), di atas skala alam semesta, cukup signifikan untuk menjelaskan percepatan perluasan ruang.
"Konstanta kosmologis saat ini merupakan sekitar 70% dari kandungan energi di alam semesta kita, yang dapat kita simpulkan dari ekspansi percepatan yang diamati yang sedang dijalani alam semesta kita. Namun konstanta ini tidak dipahami," kata Lombriser. "Upaya untuk menjelaskannya telah gagal, dan tampaknya ada sesuatu yang mendasar yang kita lewatkan dalam bagaimana kita memahami kosmos. Mengungkap teka-teki ini adalah salah satu bidang penelitian utama dalam fisika modern. Secara umum diantisipasi bahwa penyelesaian masalah dapat menyebabkan kita ke pemahaman fisika yang lebih mendasar. "
Prediksi teoritis terburuk dalam sejarah fisika
Konstanta kosmologis dianggap mewakili apa yang oleh fisikawan disebut sebagai "energi vakum". Teori medan kuantum menyatakan bahwa bahkan dalam ruang hampa yang benar-benar kosong, partikel-partikel virtual muncul dan keluar dari keberadaan dan menciptakan energi - sebuah gagasan yang tampaknya tidak masuk akal, tetapi yang telah diamati secara eksperimental. Masalah muncul ketika fisikawan berusaha menghitung kontribusinya terhadap konstanta kosmologis. Hasil mereka berbeda dari pengamatan oleh faktor membingungkan 10 ^ 121 (itu 10 diikuti oleh 120 nol), perbedaan terbesar antara teori dan eksperimen dalam semua fisika.
Perbedaan semacam itu telah menyebabkan beberapa fisikawan meragukan persamaan gravitasi asli Einstein; beberapa bahkan menyarankan model gravitasi alternatif. Namun, bukti lebih lanjut dari gelombang gravitasi oleh Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanya memperkuat relativitas umum dan menolak banyak teori alternatif ini. Itulah sebabnya alih-alih memikirkan kembali gravitasi, Lombriser mengambil pendekatan berbeda untuk memecahkan teka-teki kosmik ini.
"Mekanisme yang saya usulkan tidak mengubah persamaan bidang Einstein," kata Lombriser. Sebagai gantinya, "ia menambahkan persamaan tambahan di atas persamaan medan Einstein."
Konstanta gravitasi, yang pertama kali digunakan dalam hukum gravitasi Isaac Newton dan sekarang menjadi bagian penting dari persamaan medan Einstein, menggambarkan besarnya gaya gravitasi antar benda. Ia dianggap sebagai salah satu konstanta fundamental fisika, tidak berubah sejak awal jagat raya. Lombriser telah membuat asumsi dramatis bahwa konstanta ini dapat berubah.
Dalam modifikasi Lombriser tentang relativitas umum, konstanta gravitasi tetap sama di dalam alam semesta kita yang dapat diamati tetapi dapat berbeda di luarnya. Dia menyarankan skenario multiverse di mana mungkin ada patch alam semesta yang tidak terlihat oleh kita yang memiliki nilai berbeda untuk konstanta fundamental.
Variasi gravitasi ini memberi Lombriser persamaan tambahan yang menghubungkan konstanta kosmologis dengan jumlah rata-rata materi melintasi ruang-waktu. Setelah dia menghitung estimasi massa semua galaksi, bintang, dan materi gelap alam semesta, dia bisa menyelesaikan persamaan baru itu untuk mendapatkan nilai baru untuk konstanta kosmologis - persamaan yang sangat dekat dengan pengamatan.
Dengan menggunakan parameter baru, ΩΛ (omega lambda), yang menyatakan fraksi alam semesta yang terbuat dari materi gelap, ia menemukan bahwa alam semesta terdiri dari sekitar 74% energi gelap. Angka ini sangat cocok dengan nilai 68,5% yang diperkirakan dari pengamatan - peningkatan luar biasa atas perbedaan besar yang ditemukan oleh teori medan kuantum.
Meskipun kerangka kerja Lombriser dapat memecahkan masalah konstanta kosmologis, saat ini tidak ada cara untuk mengujinya. Tetapi di masa depan, jika eksperimen dari teori lain memvalidasi persamaannya, itu bisa berarti lompatan besar dalam pemahaman kita tentang energi gelap dan menyediakan alat untuk memecahkan misteri kosmik lainnya.
