Утечки энергии решили проблему космологической постоянной

Физики-теоретики предположили, что наблюдаемое значение космологической постоянной объясняется «утечками» энергии, происходящими из-за взаимодействия материи и дискретной структуры, лежащей в основе геометрии пространства-времени. Хотя новая теория не позволяет рассчитать космологическую постоянную непосредственно, единственный параметр в ней оказывается порядка единицы. К сожалению, проверить теорию на практике невозможно, поскольку для наблюдаемого малого значения космологической постоянной нужны слабые «утечки», которые невозможно измерить в эксперименте.

Когда Эйнштейн строил Общую теорию относительности (ОТО), он добавил в уравнения движения космологическую постоянную, которая противодействовала гравитационному сжатию Вселенной и позволяла ей оставаться стационарной. После того, как Хаббл открыл расширение Вселенной, физик отказался от космологической постоянной и даже называл ее «самой большой ошибкой моей жизни». Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что Вселенная не просто расширяется, но расширяется ускоренно. Для этого ученые сопоставили скорость и красное смещение далеких сверхновых звезд. Несколько лет спустя это наблюдение было подкрепленонаблюдениями спутников WMAP и Planck, которые заставили физиков окончательно поверить в космологическую постоянную и восстановить ее в уравнении Эйнштейна. В настоящее время ученые считают, что космологическая постоянная примерно равна 6×10⁻¹⁰ джоулей на кубический метр.

Проблема в том, что это значение невозможно объяснить теоретически. На первый взгляд кажется, что космологическая постоянная естественным образом возникает при объединении ОТО и Стандартной модели. В самом деле, в квантовой теории поля, частным случаем которой является Стандартная модель, энергия вакуума не обязательно равна нулю. Например, энергия основного состояния квантового гармонического осциллятора с частотой ω равна ℏω/2 > 0. Если плотность энергии вакуума будет больше нуля, она заставит пространство расширяться, то есть фактически будет играть роль космологической постоянной. Однако в действительности значение космологической постоянной, рассчитанное таким способом, превышает ожидаемое значение на 120 порядков. По словамЛи Смолина, это «наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией». В качестве «пробника», который чувствует взаимодействие степеней свободы материи и геометрии, ученые выбрали след тензора энергии-импульса (ТЭИ). С одной стороны, если этот след не равен нулю, в теории обязательно есть массивные степени свободы. С другой стороны, благодаря уравнению Эйнштейна след ТЭИ пропорционален скалярной кривизне. Из-за взаимодействия между материей и дискретной структурой, лежащей в основе геометрии пространства-времени, энергия материи постепенно должна убывать, причем скорость убывания пропорциональна кривизне пространства-времени, а также зависит от массы, скорости и спина частицы. Чтобы вписать потери энергии в ОТО, ученые заменили уравнение Эйнштейна уравнением унимодулярной гравитации — простейшим расширением ОТО, в котором не сохраняется тензор энергии-импульса. Наконец, ученые проинтегрировали по времени ток, нарушающий закон сохранения.

В результате ученые получили вклад в уравнение Эйнштейна, смысл которого совпадает с космологической постоянной. Правда, значение постоянной зависит от безразмерного параметра α, который невозможно зафиксировать в рамках новой теории. Тем не менее, если подставить в полученное выражение параметры молодой Вселенной, в которой только что разделились слабые и электромагнитные силы, этот параметр будет примерно равен единице. Это означает, что теория по крайней мере проходит проверку на «естественность». Оказалось, что в рамках этой модели можно объяснить большинство эффектов, традиционно приписываемых темной материи и темной энергии — в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Впрочем, из-за концептуальных проблем, которые возникают в этой теории, новая модель не нашла широкого признания среди физиков: несмотря на крайне высокое количество скачиваний статьи (11 тысяч в первый месяц), с момента выхода ее процитировали только три работы.