ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक समस्या

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Unsolved problem in physics:

Why is the vacuum energy density much larger than a zero-point energy suggested by quantum field theory?

ब्रह्माण्ड विज्ञान में, ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक समस्या या वैक्यूम तबाही निर्वात ऊर्जा ऊर्जा घनत्व (ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक का छोटा मूल्य) के देखे गए मूल्यों और क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत द्वारा सुझाए गए शून्य-बिंदु ऊर्जा के सैद्धांतिक बड़े मूल्य के बीच असहमति है।

प्लैंक ऊर्जा कटऑफ और अन्य कारकों के आधार पर, प्रभावी ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक में क्वांटम वैक्यूम ऊर्जा योगदान की गणना 50 से लेकर प्रेक्षित परिमाण से अधिक के 120 ऑर्डर के बीच की जाती है,[1][2] भौतिकविदों द्वारा संपूर्ण विज्ञान में सिद्धांत और प्रयोग के बीच सबसे बड़ी विसंगति के रूप में वर्णित एक स्थिति[1]और भौतिकी के इतिहास में सबसे खराब सैद्धांतिक भविष्यवाणी।[3]


इतिहास

गुरुत्वाकर्षण प्रभाव उत्पन्न करने वाली निर्वात ऊर्जा की मूल समस्या की पहचान 1916 में वाल्थर नर्नस्ट द्वारा की गई थी।[4][5][6] उन्होंने भविष्यवाणी की कि मान या तो शून्य या बहुत छोटा होना चाहिए। 1926 में, विल्हेम लेन्ज़|डब्ल्यू. लेन्ज़ ने निष्कर्ष निकाला कि यदि कोई सबसे कम देखी गई तरंग दैर्ध्य की तरंगों की अनुमति देता है λ ≈ 2 × 10−11 सेमी, ... और यदि यह विकिरण, सामग्री घनत्व में परिवर्तित हो जाता है (u/c2 ≈ 106), अवलोकन योग्य ब्रह्मांड की वक्रता में योगदान दिया - किसी को ऐसे मूल्य का निर्वात ऊर्जा घनत्व प्राप्त होगा कि अवलोकन योग्य ब्रह्मांड की त्रिज्या चंद्रमा तक भी नहीं पहुंच पाएगी। [7] [6]1980 के दशक में मुद्रास्फीतिकारी ब्रह्मांड विज्ञान के विकास के साथ, समस्या और अधिक महत्वपूर्ण हो गई: चूंकि ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति निर्वात ऊर्जा द्वारा संचालित होती है, निर्वात ऊर्जा के मॉडलिंग में अंतर के कारण परिणामी ब्रह्मांड विज्ञान में भारी अंतर होता है। यदि निर्वात ऊर्जा बिल्कुल शून्य होती, जैसा कि एक बार माना जाता था, तो ब्रह्मांड का विस्तार ब्रह्मांड के विस्तार में तेजी नहीं लाएगा, जैसा कि मानक लैम्ब्डा-सीडीएम मॉडल|Λ-सीडीएम मॉडल के अनुसार देखा गया है।[8]


क्वांटम विवरण

1940 के दशक में क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के विकास के बाद, ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक में क्वांटम उतार-चढ़ाव के योगदान को संबोधित करने वाले पहले व्यक्ति याकोव ज़ेल्डोविच थे।[9][10] क्वांटम यांत्रिकी में, निर्वात को स्वयं क्वांटम उतार-चढ़ाव का अनुभव करना चाहिए। सामान्य सापेक्षता में, वे क्वांटम उतार-चढ़ाव ऊर्जा का निर्माण करते हैं जो ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक में जोड़ देगा। हालाँकि, यह परिकलित निर्वात ऊर्जा घनत्व प्रेक्षित ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक से कई गुना बड़ा है।[11] बेमेल की डिग्री का मूल अनुमान परिमाण के 120 से 122 ऑर्डर तक था;[12][13]हालाँकि, आधुनिक शोध से पता चलता है कि, जब लोरेंत्ज़ परिवर्तन को ध्यान में रखा जाता है, तो बेमेल की डिग्री परिमाण के 60 ऑर्डर के करीब होती है।[13] गणना की गई वैक्यूम ऊर्जा नकारात्मक के बजाय सकारात्मक है, जो ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक में योगदान करती है क्योंकि मौजूदा वैक्यूम में नकारात्मक क्वांटम-मैकेनिकल दबाव होता है, जबकि सामान्य सापेक्षता में, नकारात्मक दबाव का गुरुत्वाकर्षण प्रभाव एक प्रकार का प्रतिकर्षण होता है। (यहां दबाव को एक सतह पर मोमेंटम#क्वांटम मैकेनिकल|क्वांटम-मैकेनिकल गति के प्रवाह के रूप में परिभाषित किया गया है।) मोटे तौर पर, वैक्यूम ऊर्जा की गणना सभी ज्ञात क्वांटम-मैकेनिकल क्षेत्रों के योग द्वारा की जाती है, जो कि बीच की बातचीत और स्व-अंतर्क्रियाओं को ध्यान में रखते हैं। जमीनी स्थिति, और फिर न्यूनतम कटऑफ तरंग दैर्ध्य के नीचे सभी इंटरैक्शन को हटाकर यह प्रतिबिंबित करना कि मौजूदा सिद्धांत टूट जाते हैं और कटऑफ पैमाने के आसपास लागू होने में विफल हो सकते हैं। क्योंकि ऊर्जा इस बात पर निर्भर करती है कि वर्तमान निर्वात अवस्था के भीतर क्षेत्र किस प्रकार परस्पर क्रिया करते हैं, प्रारंभिक ब्रह्मांड में निर्वात ऊर्जा का योगदान अलग रहा होगा; उदाहरण के लिए, ब्रह्माण्ड के कालक्रम के दौरान #हिग्स तंत्र के स्वतःस्फूर्त समरूपता को तोड़ने #इलेक्ट्रोवीक समरूपता को तोड़ने से पहले निर्वात ऊर्जा काफी भिन्न रही होगी।[13]


पुनर्सामान्यीकरण

क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में निर्वात ऊर्जा को पुनर्सामान्यीकरण द्वारा किसी भी मूल्य पर सेट किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक को केवल एक अन्य मौलिक भौतिक स्थिरांक के रूप में मानता है जिसकी सिद्धांत द्वारा भविष्यवाणी या व्याख्या नहीं की गई है।[14] सिद्धांत और अवलोकन के बीच परिमाण के कई-आदेशों की विसंगति के कारण इस तरह के पुनर्सामान्यीकरण स्थिरांक को बहुत सटीक रूप से चुना जाना चाहिए, और कई सिद्धांतकार इस तदर्थ स्थिरांक को समस्या की अनदेखी के बराबर मानते हैं।[1]


अनुमानित मान

प्लैंक (अंतरिक्ष यान) द्वारा 2015 के माप के आधार पर ब्रह्मांड का निर्वात ऊर्जा घनत्व#परिणाम है ρvac = 5.96×10−27 kg/m35.3566×10−10 J/m3 = 3.35 GeV/m3[15][note 1] या के बारे में 2.5×10−47 GeV4ज्यामितीय इकाई प्रणालियों में।

2012 में इंस्टीट्यूट डी'एस्ट्रोफिजिक डी पेरिस के जेरोम मार्टिन द्वारा किए गए एक आकलन में अपेक्षित सैद्धांतिक वैक्यूम ऊर्जा पैमाने को 10 के आसपास रखा गया था।8 GeV4, परिमाण के लगभग 55 ऑर्डर के अंतर के लिए।[13]


प्रस्तावित समाधान

कुछ भौतिक विज्ञानी एक मानवशास्त्रीय समाधान प्रस्तावित करते हैं,[16] और तर्क देते हैं कि हम विशाल विविधता के एक क्षेत्र में रहते हैं जिसमें विभिन्न निर्वात ऊर्जा वाले विभिन्न क्षेत्र हैं। इन मानवशास्त्रीय तर्कों से पता चलता है कि केवल छोटे निर्वात ऊर्जा के क्षेत्र जैसे कि जहां हम रहते हैं, बुद्धिमान जीवन का समर्थन करने में उचित रूप से सक्षम हैं। इस तरह के तर्क कम से कम 1981 से किसी न किसी रूप में मौजूद हैं। 1987 के आसपास, स्टीवन वेनबर्ग ने अनुमान लगाया कि गुरुत्वाकर्षण से बंधी संरचनाओं के निर्माण के लिए अधिकतम स्वीकार्य वैक्यूम ऊर्जा समस्याग्रस्त रूप से बड़ी है, यहां तक ​​कि 1987 में उपलब्ध अवलोकन डेटा को देखते हुए, और निष्कर्ष निकाला कि मानवशास्त्रीय स्पष्टीकरण प्रतीत होता है असफल होना; हालाँकि, अन्य विचारों के आधार पर वेनबर्ग और अन्य के हालिया अनुमानों से पता चलता है कि यह डार्क एनर्जी के वास्तविक देखे गए स्तर के करीब है।[17][18] डार्क एनर्जी की खोज और सैद्धांतिक स्ट्रिंग सिद्धांत परिदृश्य के विकास के बाद कई भौतिकविदों के बीच मानवशास्त्रीय तर्कों ने धीरे-धीरे विश्वसनीयता हासिल की, लेकिन अभी भी वैज्ञानिक समुदाय के एक बड़े संदेहवादी हिस्से द्वारा सत्यापित करने में समस्याग्रस्त होने के कारण उनका उपहास किया जाता है। विभिन्न डार्क एनर्जी स्थिरांक के साथ ब्रह्मांड के क्षेत्रों के अनुपात की गणना कैसे करें, इसके बारे में मानवशास्त्रीय समाधान के समर्थक स्वयं कई तकनीकी सवालों पर विभाजित हैं।[17][19] अन्य प्रस्तावों में गुरुत्वाकर्षण को सामान्य सापेक्षता से अलग करने के लिए संशोधित करना शामिल है। इन प्रस्तावों को इस बाधा का सामना करना पड़ता है कि अब तक के अवलोकनों और प्रयोगों के परिणाम सामान्य सापेक्षता और ΛCDM मॉडल के साथ बेहद सुसंगत हैं, और अब तक प्रस्तावित संशोधनों के साथ असंगत हैं। इसके अलावा, कुछ प्रस्ताव यकीनन अधूरे हैं, क्योंकि वे यह प्रस्तावित करके नई ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक समस्या को हल करते हैं कि वास्तविक ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक एक छोटी संख्या के बजाय बिल्कुल शून्य है, लेकिन क्वांटम उतार-चढ़ाव क्यों प्रतीत होता है, इसकी पुरानी ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक समस्या को हल करने में विफल रहते हैं। प्रथम स्थान पर पर्याप्त निर्वात ऊर्जा उत्पन्न करने में विफल। फिर भी, कई भौतिकविदों का तर्क है कि, आंशिक रूप से बेहतर विकल्पों की कमी के कारण, गुरुत्वाकर्षण को संशोधित करने के प्रस्तावों को ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक समस्या से निपटने के लिए सबसे आशाजनक मार्गों में से एक माना जाना चाहिए।[19]

डब्ल्यूजी उनरुह और सहयोगियों ने तर्क दिया है कि जब क्वांटम वैक्यूम की ऊर्जा घनत्व को उतार-चढ़ाव वाले क्वांटम क्षेत्र के रूप में अधिक सटीक रूप से तैयार किया जाता है, तो ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक समस्या उत्पन्न नहीं होती है।[20] एक अलग दिशा में जाते हुए, जॉर्ज एफ. आर. एलिस और अन्य लोगों ने सुझाव दिया है कि यूनिमॉड्यूलर गुरुत्वाकर्षण में, परेशान करने वाले योगदान आसानी से आकर्षित नहीं होते हैं।[21][22] स्टेनली ब्रोडस्की और रॉबर्ट श्रॉक के कारण एक और तर्क यह है कि प्रकाश मोर्चा परिमाणीकरण में, क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत वैक्यूम अनिवार्य रूप से तुच्छ हो जाता है। वैक्यूम अपेक्षा मूल्यों की अनुपस्थिति में, क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स, कमजोर इंटरैक्शन और क्यूसीडी से ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक में कोई योगदान नहीं होता है। इस प्रकार एक समतल अंतरिक्ष-समय में शून्य होने की भविष्यवाणी की गई है।[23][24] 2018 में, लैग्रेंजियन औपचारिकता में समरूपता तोड़ने की क्षमता के उपयोग के माध्यम से Λ को रद्द करने के लिए एक तंत्र प्रस्तावित किया गया है जिसमें मामला एक गैर-लुप्त होने वाला दबाव दिखाता है। मॉडल मानता है कि मानक पदार्थ एक दबाव प्रदान करता है जो ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक के कारण होने वाली क्रिया को संतुलित करता है। लुओंगो और म्यूचिनो ने दिखाया है कि यह तंत्र वैक्यूम ऊर्जा लेने की अनुमति देता है जैसा कि क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत भविष्यवाणी करता है, लेकिन केवल बेरिऑन और ठंडे अंधेरे पदार्थ के कारण असंतुलन शब्द के माध्यम से विशाल परिमाण को हटा देता है।[25] 1999 में, एंड्रयू कोहेन (वैज्ञानिक), डेविड बी. कपलान और ऐन नेल्सन ने प्रस्तावित किया कि प्रभावी क्षेत्र सिद्धांत क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में कटऑफ (भौतिकी) के बीच सहसंबंध सीकेएन के कारण सैद्धांतिक ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक को मापा ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक तक कम करने के लिए पर्याप्त है। अवश्यंभावी।[26] 2021 में, निकिता ब्लिनोव और पैट्रिक ड्रेपर ने होलोग्राफिक सिद्धांत के माध्यम से पुष्टि की कि सीकेएन बाउंड कम चरम स्थितियों में प्रभावी क्षेत्र सिद्धांत की भविष्यवाणियों को बनाए रखते हुए, मापा ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक की भविष्यवाणी करता है।[27]


यह भी देखें

टिप्पणियाँ

  1. Calculated based on the Hubble constant and the dark energy density parameter ΩΛ.


संदर्भ

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बाहरी संबंध