Проблема космологической постоянной
Пробле́ма космологи́ческой постоя́нной, иногда называемая «вакуумной катастрофой»[1] — закрепившееся в современной астрофизике выражение, означающее противоречие, которое существует между предсказанием значения космологической постоянной посредством применения двух фундаментальных физических теорий — общей теории относительности (ОТО), а также квантовой физики, и экспериментальными замерами её величины. Это одна из проблем калибровочной иерархии.
Предсказанная величина получается больше экспериментально измеренной на 120 порядков — «наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией», по словам Ли Смолина[2].
Космологическая постоянная и физический вакуум
[править | править код]Физический вакуум, низшее энергетическое состояние квантованного поля, согласно предсказаниям квантовой теории поля (КТП), имеет некоторую плотность энергии, которая может быть отлична от нуля (так называемая нулевая энергия). В силу так называемой перенормировки вероятности процессов не зависят от нулевой энергии, так что в рамках КТП нулевая энергия остаётся неизмеримой.
В уравнения ОТО также входит величина, известная как космологическая постоянная или лямбда-член — физическая постоянная, характеризующая свойства вакуума:
, где — плотность энергии вакуума.
Эта величина может быть экспериментально измерена благодаря своему влиянию на метрику (кривизну) пространства в целом.
Экспериментальное значение
[править | править код]Космологическая постоянная может быть измерена благодаря своему влиянию на процесс разбегания галактик. Эти измерения были проделаны в 1998 году двумя группами астрономов[i], изучавших сверхновые звёзды (см. тёмная энергия), и было получено очень малое значение для космологической постоянной: м−2. Искажения Вселенной становятся ощутимы лишь при масштабах, сравнимых с размером наблюдаемой части Вселенной, м.
Предсказание
[править | править код]Даже одно-единственное квантовое поле (например, электрон-позитронное) согласно КТП создаёт в вакууме «нулевую» плотность энергии порядка , что уже само по себе даёт значение космологической постоянной м−2, завышенное на много порядков. Более аккуратная оценка «нулевой» энергии методами КТП по порядку величины приближается к планковской плотности (масса и энергия связаны уравнением Эйнштейна), что ещё дальше от действительности.
Перенормировка
[править | править код]Применением перенормировки можно приравнять энергию вакуума в КТП любому заданному значению, в том числе и экспериментально измеренному значению космологической постоянной; в таком случае она будет рассматриваться как ещё одна фундаментальная физическая постоянная, не предсказанная и никак не объясняемая теорией[3]. Однако подбор параметров такой перенормировки должен быть чрезвычайно точным (с порядком точности не меньше, чем порядок расхождения между «ненормированным» предсказанием КТП и наблюдаемым значением), поэтому многие теоретики считают необходимость настолько точной подстройки не решением, а скорее игнорированием проблемы[1].
Предложенные варианты решения
[править | править код]Часть предложенных решений включает изменение или дополнение законов гравитационного взаимодействия в общей теории относительности, однако они сталкиваются с тем же затруднением, что и другие альтернативные теории гравитации: наблюдения и эксперименты с высокой точностью согласуются с предсказаниями ОТО, а применение альтернативных моделей в лучшем случае не приводит к увеличению предсказательной точности. Кроме того, многие из этих решений существенно неполны, поскольку решают «новую» проблему космологической постоянной, принимая нулевую энергию вакуума строго равной нулю (или же постулируя, как в модели «унимодулярной гравитации», предложенной Дж. Эллисом с коллегами[4][5], что нулевые колебания вакуума в принципе не гравитируют), но оставляют нерешённой «старую» проблему: отчего эта энергия так мала по сравнению с предсказанной в КТП?[6]
Чтобы решить одновременно и «старую» проблему, Билл Унру с соавторами предлагают сделать ряд смелых допущений: если предположить, что «нулевые колебания» физического вакуума можно смоделировать как флюктуации некоего квантового поля, и в предположении, что эти возмущения находятся в противофазе в соседних областях пространства (на очень мелких, принципиально ненаблюдаемых современной физикой масштабах, близких к планковским), то можно было бы ожидать возникновения своего рода «квантовой пены», которая при дополнительных допущениях могла бы приводить на больших (астрофизических) масштабах к очень ограниченному расширению пространства, сравнимому с экспериментально наблюдаемым, на основании дополнительно вводимого Унру «параметрического резонанса»[7], и даже позволяла бы постулировать замедление этого расширения со временем[8].
См. также
[править | править код]- Нерешённые проблемы современной физики
- Ультрафиолетовая катастрофа — сходная проблема с предсказанием классической физики
Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 Adler, Ronald J.; Casey, Brendan; Jacob, Ovid C. (1995). "Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem". American Journal of Physics. 63 (7): 620—626. Bibcode:1995AmJPh..63..620A. doi:10.1119/1.17850. ISSN 0002-9505.
- ↑ Lee Smolin. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует = The trouble with physics: the rise of string theory, the fall of a science, and what comes next. — Boston: Houghton Mifflin, 2006. — ISBN 9780618551057. Архивировано 1 февраля 2014 года.
- ↑ Rugh, S.E.; Zinkernagel, H. (2002). "The quantum vacuum and the cosmological constant problem". Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 33 (4): 663—705. arXiv:hep-th/0012253. Bibcode:2002SHPMP..33..663R. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. S2CID 9007190. Архивировано 30 ноября 2010. Дата обращения: 29 апреля 2024.
- ↑ Ellis, George F. R. (2014). "The trace-free Einstein equations and inflation". General Relativity and Gravitation. 46: 1619. arXiv:1306.3021. Bibcode:2014GReGr..46.1619E. doi:10.1007/s10714-013-1619-5. S2CID 119000135.
- ↑ Percacci, R. (2018). "Unimodular quantum gravity and the cosmological constant". Foundations of Physics. 48 (10): 1364—1379. arXiv:1712.09903. Bibcode:2018FoPh...48.1364P. doi:10.1007/s10701-018-0189-5. S2CID 118934871.
- ↑ Bull, Philip; et al. (June 2016). "Beyond ΛCDM: Problems, solutions, and the road ahead". Physics of the Dark Universe. 12: 56—99. arXiv:1512.05356. Bibcode:2016PDU....12...56B. doi:10.1016/j.dark.2016.02.001. S2CID 118450389.
- ↑ Wang, Qingdi; Zhu, Zhen; Unruh, William G. (2017). "How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe". Physical Review D. 95 (10): 103504. arXiv:1703.00543. Bibcode:2017PhRvD..95j3504W. doi:10.1103/PhysRevD.95.103504. S2CID 119076077.
- ↑ Wang, Q.; Unruh, W. G. (2020). "Vacuum fluctuation, microcyclic universes, and the cosmological constant problem". Physical Review D. 102. arXiv:1904.08599.
Комментарии
- ↑ За эти измерения Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике за 2011 год.
Ссылки
[править | править код]- Космологическая постоянная. Дата обращения: 10 августа 2012. Архивировано 10 августа 2012 года.
- С. Вайнберг. «Проблема космологической постоянной» (Лекции имени Мориса Леба по физике в Гарвардском университете) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1989. — Т. 158, вып. 8. — С. 639—678. — doi:10.3367/UFNr.0158.198908d.0639. Архивировано 10 августа 2012 года.
- К проблеме космологической постоянной
- O'Dowd, Matt The Crisis in Cosmology. PBS Spacetime (24 января 2019).