Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Космологическую постоянную предложили объяснять динамикой планковских регионов

Alex Sukontsev / flickr.com

Физик Стивен Карлип объяснил наблюдаемое небольшое значение космологической постоянной сокращением эффектов расширения и сжатия планковских регионов, для которых кривизна пространства-времени по-прежнему огромна. Для этого ученый предположил, что на квантовом уровне отсутствует выделенное направление времени, и в квазиклассическом приближении рассмотрел эволюцию планковских регионов, склеенных между собой определенным образом. Статья опубликована в Physical Review Letters и находится в открытом доступе, кратко о ней сообщает Physics.

Квантовая теория поля предсказывает, что пространство-время должно быть заполнено полями, постоянно флуктуирующими около нулевого значения. Чем меньше характерный масштаб, на котором мы изучаем поля, тем больше энергия этих флуктуаций из-за принципа неопределенности Гейзенберга. В то же время, Общая теория относительности утверждает, что большая энергия сильно искажает пространство-время. Следовательно, на микроскопическом масштабе пространство-время разбивается на множество небольших областей разной кривизны. Другими словами, на таких масштабах пространство-время теряет гладкость и превращается в так называемую квантовую пену. Более того, поскольку искажение пространства-времени вызывается «ненастоящими» виртуальными частицами, оно содержит в себе огромную отрицательную энергию, которую можно интерпретировать как космологическую постоянную. Впервые эти явления теоретически предсказал в 1955 году американский физик Джон Уилер, и с тех пор квантовую пену исследовал целый ряд выдающихся теоретиков, начиная от Сидни Коулмена и заканчивая Стивеном Хокингом.

К сожалению, у концепции квантовой пены есть один, но очень существенный недостаток: хотя она и предсказывает ненулевое значение квантовой постоянной, но предсказывает совершенно неверно. Если предположить, что характерный масштаб квантовых флуктуаций определяется планковской длиной, и оценить энергию флуктуаций с помощью эффективной теории поля, то окажется, что полученная космологическая постоянная превосходит наблюдаемое значение на 120 порядков. По словам Ли Смолина, это «худшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией». Очевидно, такое существенное расхождение недвусмысленно указывает на ошибку в теоретических моделях. Однако в чем эта ошибка заключается, физики не могут сказать до сих пор.

Тем не менее, Стивен Карлип (Steven Carlip) нашел элегантное решение проблемы космологической постоянной. В основном это решение полагается на тот факт, что в эффективной теории поля космологическая постоянная имеет разные знаки в зависимости от того, какие частицы преобладают во Вселенной — бозоны или фермионы. Если космологическая постоянная положительная во всем объеме Вселенной, то Вселенная вечно ускоренно расширяется, а в противоположном случае — ускоренно сжимается. На практике же из-за квантовой природы в каждом микроскопическом регионе космологическая постоянная может иметь разные знаки. Если регионы с положительной и отрицательной постоянной появляются с одинаковой вероятностью, то на макроскопическом уровне кривизна пространства будет равна нулю. На практике «макроскопичность» региона достигается очень быстро: в одном кубическом пикометре уже содержится порядка 1070 планковских регионов.

В реальности, однако, мы живем не в пространстве, а в пространстве-времени, а потому ограничиться таким наивным объяснением нельзя. В самом деле, со временем регионы с положительной кривизной будут расширяться, а регионы с отрицательной кривизной — сжиматься; следовательно, можно ожидать, что после достаточно большого промежутка времени положительная кривизна начнет доминировать. Однако Карлип доказал, что это не так, и в ходе эволюции Вселенной макроскопическая постоянная остается практически нулевой.

Для этого доказательства физику потребовалось два свойства пространства-времени. Во-первых, ученый считал, что на квантовом уровне нет выделенного направления времени, то есть уравнения эволюции обратимы. Во-вторых, ученый предположил, что два расположенных рядом многообразия можно склеить таким образом, чтобы начальные условия не изменились в произвольно малой окрестности точек, по которым производится склейка. Полагаясь на эти свойства, ученый склеил между собой микроскопические участки с положительной и отрицательной кривизной, проследил их эволюцию во времени и учел, что из-за квантовых флуктуаций расширяющиеся области снова заполняются квантовой пеной. В результате Карлип получил, что в ходе эволюции макроскопическое «одеяло» из сжимающихся и расширяющихся регионов практически не изменяется. Другими словами, из-за взаимного сокращения эффектов сжатия и расширения макроскопическая космологическая примерно равна нулю, хотя в каждом планковском регионе она огромна.

Автор отмечает, что в проведенном анализе есть недостатки. Во-первых, он полагается на квазиклассическое приближение, то есть рассматривает генерацию микроскопической космологической постоянной в рамках квантовой теории поля, но описывает расширение регионов с помощью классической Общей теории относительности. В идеале оба эти процесса нужно описывать с помощью единой Квантовой теории гравитации, которая, к сожалению, до сих пор не построена. Во-вторых, для простоты физик пренебрегал третьими и более высокими производными внешней кривизны микроскопических регионов. Наконец, склеивание микроскопических регионов — это не единственный способ получить систему без выделенной оси времени на планковском масштабе. Тем не менее, несмотря на эти недостатки, найденная Карлипом «лазейка» естественным образом решает проблему космологической постоянной, а потому кажется правдоподобной.

Интересно, что препринт работы Стивен Карлип выложил на портал arXiv еще в сентябре прошлого года, а отправил в журнал в марте 2019. За время, пока статья добиралась до публикации, ее успели процитировать пять раз. Это довольно хороший результат, хотя и не выдающийся.

Вообще говоря, физики и раньше пытались решить проблему космологической постоянной, хотя и не так элегантно. Например, в июне этого года американские астрофизики предложили добавить в модель ΛCDM раннюю темную энергию — гипотетическую субстанцию, которая ускоряет расширение молодой Вселенной и «растворяется» на более поздних временах. Оказалось, что в этой модели космологическая постоянная естественным образом затухает до нуля. В том же месяце теоретики из Франции и США предположили, что ничтожно малая энергия квантовых флуктуаций объясняется взаимодействием между материей и квантовой структурой пространства-времени, из-за которой существенная часть энергии остается недоступной наблюдателю. Кроме того, некоторые физики-экстремисты вообще предлагают отказаться от идеи темной материи и темной энергии, заменив их другими экзотическими субстанциями.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.