В физике есть фундаментальная проблема.
Одно число, называемое космологической постоянной, соединяет микроскопический мир квантовой механики и макроскопический мир теории относительности Эйнштейна. Но ни одна теория не может согласиться с ее ценностью.
На самом деле, существует такое огромное расхождение между наблюдаемым значением этой константы и тем, что теория предсказывает, что это широко считается худшим прогнозом в истории физики. Устранение несоответствия может быть самой важной целью теоретической физики в этом столетии.
Лукас Ломбрайзер, доцент теоретической физики в Женевском университете в Швейцарии, представил новый способ оценки уравнений гравитации Альберта Эйнштейна, чтобы найти значение для космологической постоянной, которое близко соответствует ее наблюдаемому значению. Он опубликовал свой метод онлайн в выпуске журнала от 10 октября в журнале Physics Letters B.
Как самая большая ошибка Эйнштейна стала темной энергией
История космологической постоянной началась более века назад, когда Эйнштейн представил набор уравнений, теперь известных как уравнения поля Эйнштейна, которые стали основой его теории общей теории относительности. Уравнения объясняют, как материя и энергия деформируют ткань пространства и времени, создавая силу гравитации. В то время и Эйнштейн, и астрономы сошлись во мнении, что размер Вселенной фиксирован и что общее пространство между галактиками не изменилось. Однако, когда Эйнштейн применил общую относительность к вселенной в целом, его теория предсказала нестабильную вселенную, которая будет либо расширяться, либо сжиматься. Чтобы заставить Вселенную быть статичной, Эйнштейн прибег к космологической постоянной.
Почти десятилетие спустя другой физик, Эдвин Хаббл, обнаружил, что наша вселенная не статична, а расширяется. Свет от далеких галактик показал, что все они удаляются друг от друга. Это откровение убедило Эйнштейна отказаться от космологической постоянной из его уравнений поля, поскольку больше не было необходимости объяснять расширяющуюся вселенную. Согласно физическим знаниям, Эйнштейн позже признался, что его введение космологической постоянной было, возможно, его самой большой ошибкой.
В 1998 году наблюдения за далекими сверхновыми показали, что вселенная не просто расширяется, а ускоряется. Галактики ускорялись друг от друга, как будто какая-то неизвестная сила преодолевала гравитацию и раздвигала эти галактики. Физики назвали этот загадочный феномен темной энергией, так как ее истинная природа остается загадкой.
По иронии судьбы физики вновь ввели космологическую постоянную в уравнения поля Эйнштейна для учета темной энергии. В современной стандартной модели космологии, известной как ΛCDM (Lambda CDM), космологическая постоянная взаимозаменяема с темной энергией. Астрономы даже оценили его значение, основываясь на наблюдениях за отдаленными сверхновыми и флуктуациями космического микроволнового фона. Хотя значение абсурдно мало (порядка 10 ^ -52 на квадратный метр), в масштабах вселенной оно достаточно существенно, чтобы объяснить ускоренное расширение пространства.
«Космологическая постоянная в настоящее время составляет около 70% от содержания энергии в нашей вселенной, что мы можем вывести из наблюдаемого ускоренного расширения, которое в настоящее время испытывает наша вселенная. Однако эта постоянная не понята», - сказал Ломбрайзер. «Попытки объяснить это потерпели неудачу, и, похоже, нам не хватает чего-то фундаментального в том, как мы понимаем космос. Разгадывание этой головоломки - одна из основных областей исследований в современной физике. Обычно ожидается, что решение проблемы может привести к нам к более фундаментальному пониманию физики ".
Худшее теоретическое предсказание в истории физики
Считается, что космологическая постоянная представляет то, что физики называют «вакуумной энергией». Квантовая теория поля утверждает, что даже в абсолютно пустом космическом вакууме виртуальные частицы появляются и исчезают и создают энергию - внешне абсурдная идея, но та, которая была обнаружена экспериментально. Проблема возникает, когда физики пытаются вычислить ее вклад в космологическую постоянную. Их результат отличается от наблюдений ошеломляющим фактором 10 ^ 121 (это 10, за которым следуют 120 нулей), что является самым большим расхождением между теорией и экспериментом во всей физике.
Такое несоответствие заставило некоторых физиков усомниться в исходных уравнениях гравитации Эйнштейна; некоторые даже предложили альтернативные модели гравитации. Однако дальнейшие свидетельства гравитационных волн, полученные лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), только усилили общую относительность и отвергли многие из этих альтернативных теорий. Вот почему вместо переосмысления гравитации Ломбрайзер использовал другой подход для решения этой космической головоломки.
«Механизм, который я предлагаю, не модифицирует уравнения поля Эйнштейна», - сказал Ломбрайзер. Вместо этого «он добавляет дополнительное уравнение поверх полевых уравнений Эйнштейна».
Гравитационная постоянная, которая впервые использовалась в законах гравитации Исаака Ньютона и теперь является неотъемлемой частью уравнений поля Эйнштейна, описывает величину гравитационной силы между объектами. Он считается одной из фундаментальных констант физики, вечно неизменной с начала существования вселенной. Ломбрайзер сделал резкое предположение, что эта константа может измениться.
В модификации общей теории относительности Ломбрайзера гравитационная постоянная остается неизменной в пределах нашей наблюдаемой вселенной, но может меняться за ее пределами. Он предлагает мультивселенную ситуацию, когда могут быть невидимые для нас участки Вселенной, имеющие разные значения фундаментальных констант.
Это изменение гравитации дало Ломбрайзеру дополнительное уравнение, которое связывает космологическую постоянную со средней суммой вещества в пространстве-времени. После того, как он учел оценочную массу всех галактик, звезд и темной материи Вселенной, он мог решить это новое уравнение, чтобы получить новое значение для космологической постоянной - то, которое близко согласуется с наблюдениями.
Используя новый параметр ΩΛ (омега-лямбда), который выражает долю вселенной, состоящей из темной материи, он обнаружил, что вселенная состоит из примерно 74% темной энергии. Это число близко соответствует значению 68,5%, оцененному из наблюдений - огромное улучшение по сравнению с огромным несоответствием, обнаруженным квантовой теорией поля.
Хотя структура 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.
