בקטנה: בשנת 1917, זמן קצר לאחר פרסום תאוריית היחסות הכללית, הוסיף אלברט איינשטיין למשוואות תאוריית היחסות איבר נוסף, לו קרא ״הקבוע הקוסמולוגי״ [1]. במאמר קצר זה נדון בפיזיקה המרתקת של הקבוע הקוסמולוגי; השערתו של איינשטיין, הגילוי הניסיוני של האצת היקום בשנת 1998 התומך בקיום הקבוע הקוסמולוגי ובעיית חוסר ההתאמה בין הערך הניסיוני לערך המחושב בעזרת התאוריה.
כאשר פרסם איינשטיין את משוואות תאוריית היחסות הכללית בשנת 1915, הן כללו קשר בין הגאומטריה של המרחב וצפיפות החומר שבו. תאוריית היחסות הכללית חוזה יקום המשתנה בזמן, כלומר יקום גדל או קטן. איינשטיין לא אהב את התחזית הזאת וביקש לתקן את המשוואות שהוא כתב על-ידי הוספת איבר נוסף אותו הוא כינה ״הקבוע הקוסמולוגי״. איינשטיין סבר שבעזרת איבר זה יתקיים פתרון המתאר יקום סטטי, קרי יקום שגודלו קבוע.
מהי המשמעות של הקבוע הקוסמולוגי? הפרשנות המודרנית היא שהקבוע הקוסמולוגי מייצג אנרגיה של הריק, כלומר אנרגיה שקיימת בכל נקודה במרחב גם בהיעדר חומר. ייתכן והדבר נראה תמוה, ובשנת 1917 כאשר איינשטיין הגה את הרעיון בוודאי שהרעיון היה נועז, אולם כפי שנראה בהמשך יש סיבה הגיונית לקיומה של אנרגיית הריק.
בשנת 1924 פרסם אדווין האבל גלוי אמפירי מסעיר: הגלקסיות מתרחקות זו מזו מהר יותר ככל שהן מרוחקות יותר זו מזו. בכך אישש האבל באופן ניסיוני את הפתרון המתמטי של משוואות תאוריית היחסות הכללית ללא הקבוע הקוסמולוגי, כלומר פתרון מתמטי שבו היקום גדל. עקב גילויו של האבל איינשטיין התחרט על כך שהציע את קיומו של הקבוע הקוסמולוגי וכינה זאת ״הטעות הגדולה ביותר של חיי״.
מאז גילויו של האבל ועד לראשית שנות התשעים של המאה העשרים, סברו הפיזיקאים שערכו של הקבוע הקוסמולוגי הוא אפס, או שהוא קטנטן, והם חיפשו הסבר תאורטי לכך. הבה נדון במשמעות התאורטית של הקבוע הקוסמולוגי – אנרגיית הריק. כיצד ייתכן שלריק יש אנרגיה?
על-פי תאוריית הקוונטים, הריק לא ממש ריק; למעשה הריק סוער וגועש וכולל את יצירתם והשמדתם של חלקיקים בכל רגע ורגע. לדוגמה, בכל רגע ובכל נקודה במרחב קיימת הסתברות שייווצר זוג של אלקטרון ופוזיטרון (אנטי-אלקטרון). הזוג נוצר לזמן קצר ונעלם. חלקיקים אלו ואחרים שנוצרים ומושמדים כל רגע ורגע, נושאים אנרגיה. האנרגיה שהם נושאים מהווה תרומה לאנרגיית הריק.
כאשר התברר שתאוריית הקוונטים חוזה שלריק יש אנרגיה, עסקו הפיזיקאים עד שנות התשעים בשאלה מדוע האנרגיה הזאת לא נצפית? הכיצד ערכו של הקבוע הקוסמולוגי הוא אפס, או אולי אפסי? אחת התשובות האפשריות שהועלו היא שקיים קיזוז בין תרומות חיוביות לאנרגיית הריק לבין תרומות שליליות לאנרגיית הריק כך שסכום התרומות קרוב מאוד לאפס.
בשנת 1998, חשיבתנו על הקבוע הקוסמולוגי השתנתה כליל, כאשר נתגלתה באופן אמפירי ״האצת היקום״. מבלי להיכנס לפרטי תגלית חשובה זו, עבורה ניתן פרס נובל לפיזיקה בשנת 2011 [2], נאמר רק שניתן להסבירה בעזרת קיומה של ״אנרגיה אפלה״. ההסבר המקובל ביותר למשמעותה של ה-״אנרגיה האפלה״, שמהווה כ-68% מכלל האנרגיה ביקום, היא שמדובר באנרגיית הריק.
השערתו של איינשטיין בדבר קיומו של קבוע קוסמולוגי, אותה ההשערה שהוא דחה מאוחר יותר, קיבלה חיזוק בעזרת תצפית! כיום מקובל לחשוב שהיקום אכן כולל ״אנרגיית ריק״ שממלאת אותו בכל נקודה ונקודה, כעשר בחזקת מינוס שמונה ג׳ול למטר בשלישית [1].
הקבוע הקוסמולוגי מעלה בעיה השערתית חשובה מאוד שטרם נמצא לה פתרון. כאשר מנסים להעריך את גודלה של צפיפות אנרגיית הריק, כלומר כמות האנרגיה של הריק בכל נקודה ונקודה, מתקבל ערך גבוה בהרבה מהערך הנמדד בניסוי. אנרגיית הריק היא קשה לחישוב; יש לחשב את ההסתברות ליצירת זוגות חלקיקים בריק וכן את האנרגיה של זוג שכזה. חישוב ההסתברות הוא מסובך מאוד, אבל ניתן להעריך את גודלו. על-פי הערכות מסוימות הערך התאורטי של הקבוע הקוסמולוגי הוא פי עשר בחזקת 120 מהערך שנצפה בניסוי! [3].
בעיית חוסר ההתאמה בין הערך הנצפה של הקבוע הקוסמולוגי ובין ההערכה הנאיבית של גודלו היא בעיה מרכזית בפיזיקה תאורטית. משמעות הדבר היא שאין לנו הבנה עמוקה וטובה של 68% ממרכיבי החומר/אנרגיה של היקום.

מקורות וקריאה נוספת:

1. Cosmological constant
2. The Nobel Prize in Physics 2011
3. Lectures on the Cosmological Constant Problem

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב