Космологическую постоянную предложили объяснять динамикой планковских регионов
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
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».