В физике существует фундаментальная проблема. Одно число, называемое космологической постоянной, соединяет микроскопический мир квантовой механики и макроскопический мир теории относительности Эйнштейна. Но ни одна теория не может дать ее точное значение, которое согласовалось бы с экспериментами.

На самом деле, существует настолько огромное расхождение между наблюдаемым значением этой константы и тем, которое предсказывает теория, что ученые считают это худшим несоответствием в истории физики. Решение этой проблемы может быть самой важной целью теоретической физики в этом столетии.

Лукас Ломбрайзер, доцент кафедры теоретической физики Женевского университета в Швейцарии, представил новый способ дополнения уравнений гравитации Альберта Эйнштейна, чтобы найти такое значение космологической постоянной, которое максимально близко соответствует ее наблюдаемому значению. Он опубликовал свой метод в журнала Physics Letters B.

Как самая большая ошибка Эйнштейна стала темной материей

История космологической постоянной началась более века назад, когда Эйнштейн представил систему уравнений, теперь известных как уравнения поля Эйнштейна-Гильберта, которые стали основой его общей теории относительности. Эти уравнения объясняют, как материя и энергия деформируют ткань пространства и времени, создавая гравитационную силу. В то время и Эйнштейн, и астрономы сходились во мнении, что Вселенной имеет фиксированный размер и что пространство между галактиками в среднем остается статичным. 

Однако, когда Эйнштейн применил общую теорию относительности к Вселенной в целом, то она предсказала нестабильную Вселенную, которая будет либо расширяться, либо сжиматься. И, чтобы «подогнать теорию под эксперимент» и заставить Вселенную быть статичной, Эйнштейн придумал космологическую постоянную. 


Космологическое красное смещение.

Почти десятилетие спустя другой физик, Эдвин Хаббл, обнаружил, что наша Вселенная все-таки не статична, а расширяется. Сдвиг света от далеких галактик в красную область показал, что все они удаляются друг от друга. Это открытие убедило Эйнштейна отказаться от космологической постоянной в своих уравнениях поля, поскольку больше не было необходимости «сдерживать» расширяющуюся Вселенную. В своих трудах Эйнштейн позже признался, что введение им космологической постоянной было, возможно, его самой большой ошибкой.

В 1998 году наблюдения за далекими сверхновыми показали, что Вселенная не просто расширяется, а делает это ускоренно. Галактики ускорялись, удаляясь друг от друга, как будто какая-то неизвестная сила преодолевала гравитацию и раздвигала их. Ученые назвали это загадочное явление темной энергией, так как его истинная природа остается загадкой. 

По иронии судьбы физики вновь ввели космологическую постоянную в уравнения поля Эйнштейна для учета темной энергии. В современной стандартной космологической модели, известной как ΛCDM (Лямбда-CDM), космологическая постоянная взаимозаменяема с темной энергией. Астрономы даже оценили ее значение на основе наблюдений за далекими сверхновыми и флуктуациями космического микроволнового фона. Хотя эта величина абсурдно мала (порядка 10^-52 на квадратный метр), в масштабах Вселенной она достаточно значительна, чтобы объяснить ускоренное расширение пространства.


Развитие нашей Вселенной в модели Лямбда-CDM.

«Космологическая постоянная [или темная энергия] в настоящее время составляет около 70% от всей энергии в нашей Вселенной — это мы можем вывести из наблюдаемого ускоренного расширения, которое испытывает наша Вселенная. Однако эта постоянная до конца не понятна», — сказал Ломбрайзер. «Попытки объяснить ее потерпели неудачу, и, кажется, что есть что-то фундаментальное, что мы упускаем в том, как мы понимаем космос. Разгадывание этой головоломки является одним из основных направлений исследований в современной физике. И есть серьезное предположение, что решение этого вопроса может привести нас к более фундаментальному пониманию физики».

Худшее теоретическое предсказание в истории физики

Считается, что космологическая постоянная представляет собой то, что физики называют «энергией вакуума». Квантовая теория поля утверждает, что даже в абсолютно пустом вакууме пространства виртуальные частицы появляются и исчезают, создавая энергию — казалось бы, абсурдная идея, но она была обнаружена экспериментально. Проблема возникает, когда физики пытаются вычислить ее вклад в космологическую постоянную. Их результат отличается от наблюдений в ошеломляющие 10¹²¹ раз, что делает его самым большим расхождением между теорией и экспериментом во всех областях физики — вообще говоря, несколько сомнительное достижение.

Такое несоответствие заставило некоторых физиков усомниться в исходных уравнениях гравитации Эйнштейна; некоторые даже предложили альтернативные модели гравитации. Однако дальнейшее многократное обнаружение гравитационных волн благодаря Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) только укрепили общую теорию относительности и отвергли многие из этих альтернативных моделей. Вот почему вместо того, чтобы переосмыслить теорию гравитации, Ломбрайзер использовал другой подход к решению этой космической головоломки.

«Механизм, который я предлагаю, не модифицирует уравнения поля Эйнштейна», — сказал Ломбрайзер. Вместо этого «он добавляет дополнительное уравнение поверх уравнений поля Эйнштейна».

Состав нашей Вселенной на заре существования и на данный момент.

Гравитационная постоянная, которая впервые была использована в законах тяготения Ньютона и теперь является существенной частью уравнений поля Эйнштейна, описывает величину гравитационного взаимодействия между объектами. Она считается одной из фундаментальных констант физики, вечно неизменной с начала существования Вселенной. Ломбрайзер же сделал достаточно неожиданное предположение, что эта константа может изменяться. 

В ломбрайзеровской модификации общей теории относительности гравитационная постоянная остается неизменной в пределах нашей наблюдаемой Вселенной, но может изменяться за ее пределами. Ломбрайзер предлагает сценарий Мультивселенной, в которой могут быть участки Вселенной, невидимые для нас, которые имеют различные значения для фундаментальных констант. 

Это изменение теории относительности дало Ломбрайзеру дополнительное уравнение, которое связывает космологическую постоянную со средней суммой вещества в пространстве-времени. После того, как он оценил массу всех галактик, звезд и темной материи во Вселенной, он смог решить это новое уравнение, в результате чего получил новое значение космологической постоянной — такое, которое хорошо согласуется с наблюдениями.

Используя новый параметр ΩΛ (омега лямбда), который выражает долю Вселенной, состоящей из темной субстанции, он обнаружил, что она состоит примерно на 74% из темной энергии. Это число неплохо соответствует значению 68,3% — оценке, полученной из наблюдений: огромное улучшение по сравнению с тем гигантским несоответствием, следующим из квантовой теории поля.

Хотя параметр Ломбрайзера может решить проблему космологической постоянной, в настоящее время нет способа проверить это. Но в будущем, если эксперименты из других теорий подтвердят его уравнения, это может означать значительный скачок в нашем понимании темной энергии и предоставить инструмент для решения других космических загадок.