Новый взгляд на космологическую константу

Предысторию вопроса вы и сами знаете, поэтому просто пробежимся ещё раз по основным моментам: вакуум в мгновенном смысле этого слова на самом деле не пустой, так как в нём постоянно возникают и исчезают частицы. И у вакуума есть энергия, что видно хотя бы из эффекта Казимира.

Однако с этой энергией есть определённые проблемы: если исходить из неё, получается, что так называемая космологическая постоянная — которая, как считается, стоит за тёмной энергией, — должна быть в 10¹²⁰ раз больше, чем выясняется из наблюдений за реальным расширением Вселенной, за которое эта космологическая постоянная отвечает.

Наша Вселенная может быть не той, что справа, а скорее той, что слева. (Иллюстрация Jim Braun / University of Oregon.)

Многим не нравится расхождение наблюдаемого значения постоянной и расчётного во столь некрасиво большое число раз. В самом деле, почему энергия вакуума такая маленькая?

Эйнштейновские идеи о пространстве-времени говорят: тела, имеющие массу, влияют на пространство-время, искривляя его. Причём масса и энергия, по сути, являются двумя сторонами одной монеты, поэтому искривляют они обе. Просто и со вкусом, казалось всем. Однако когда стало всплывать, что так называемый вакуум в действительности довольно оживлённое место, где каждую секунду появляется и исчезает множество частиц, к этой концепции сами собой стали возникать вопросы.

Смотрите: если у вакуума космического пространства есть энергия, то она должна искривлять пространство и время; в теории она и вовсе может свернуть нашу Вселенную в маленький плотный шарик (хорошо, если не в точку) или разнести её с такой скоростью во все стороны, что ни одна звезда не успела бы сформироваться. Разница между этими вариантами объясняется лишь тем, какой вы посчитаете энергию вакуума — положительной или отрицательной. В любом случае попытка учесть энергию вакуума приводит к таким большим значениям, что сегодняшней Вселенной со всеми этими звёздами и прочим из неё получиться никак не могло. Кажется, такая картина слегка не сходится с окружающей нас реальностью?

Поэтому, когда из наблюдаемого расширения Вселенной и прочего выводится значение космологической постоянной, наступает некоторое недоумение: постоянная-то маленькая и её значение положительно. Отчего же вакуум не искажает пространство-время до вышеописанного безобразия?

Обычно, если кто-то хочет сочетать представления об энергии вакуума с общей теорией относительности, он вынужден вводить некие корректировки — иначе от разрыва 10¹²⁰ не уйти. Нет, подставить корректировку несложно, но откуда она, эта корректировка, берётся? В чем её смысл?

Новая работа Неманьи Калопера (Nemanja Kaloper) из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) и Антонио Падийи (Antonio Padilla) из Ноттингемского университета (Великобритания) предложила такую модификацию общей теории относительности, которая естественным путём приводила бы к столь малой, но положительной космологической постоянной.

Космологическая постоянная должна рассматриваться как среднее «итого» вклада вакуума во всём пространственно-временном континууме, говорят учёные, то есть во всём пространстве мироздания за всё время его существования. Как только вы осуществите такой учёт, локальная энергия вакуума в вашей конкретной точке Вселенной тут же появится в уравнениях два раза — с обеих сторон от «равно» и с противоположными знаками. Неважно, считают физики, какую энергию вакуум имеет прямо сейчас, он всё равно не может искривить пространство и время, поскольку одновременно толкает их правой рукой с одной стороны, а левой — с другой.

Хорошо, но что тогда объясняет существование константы? Разве она не должна стать равной нулю при таком раскладе? С точки зрения Калопера и Падийи, наблюдаемое глазом остаточное значение константы является средним «историческим» вкладом энергии вакуума для всего пространства-времени Вселенной. То есть все флуктуации во всём вакууме от начала времён до этого самого момента вносят свой вклад в ту космологическую постоянную, которую мы видим вокруг себя сегодня (и, тем самым, в ускоряющееся расширение Вселенной).

Да-да, выводы из этого следуют вполне определённые. Если всё это так, то в начале времён и сегодня постоянная была разной, и это ещё мягко сказано. В ранней Вселенной, полагают исследователи, космологическая постоянная была баснословно большой, что привело к инфляции, резкому раздуванию всего мироздания. Позднее же, когда Вселенная подостыла, постоянная стала малой, а ещё позже она может и вовсе сменить знак, заставляя Вселенную начать сжатие.

Из такого секвестра космологической постоянной среди прочего следует и будущее сжатие Вселенной. Впрочем, дожить до этого приятного момента смогут не все. (Иллюстрация ESM.)

Одним из последствий такой гипотезы стало предположение о конечности существования Вселенной не только в пространстве, что не назовешь сенсацией, но и во времени. А это уже существенное отличие от сегодняшней картины мира, ведь ранее — при ускоряющемся расширении — конец времён для Вселенной считался скорее невозможным.

Как бы это подтвердить? Сразу отсеиваем вариант «дождаться начала сжатия». Сериал «Судьбы гипотезы» в этом случае будет чертовски трудно досмотреть до конца, поскольку прогнозируемое авторами сжатие может наступить примерно через 100 млрд лет. Альтернативный подход к проверке идеи может включать в себя детальные астрономические наблюдения за регионами Вселенной в различные периоды жизни мироздания и соотнесения поведения пространства-времени в разные эпохи с идеей меняющейся космологической константы. Однако с какой бы стороны мы ни подошли к этой задаче, пока что наблюдательная проверка этой очень интересной гипотезы кажется весьма непростым делом.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.
По материалам Ars Technica.
Источник: compulenta.computerra.ru