У фізиці існує фундаментальна проблема.
Єдине число, яке називається космологічною постійною, з’єднує мікроскопічний світ квантової механіки та макроскопічний світ теорії загальної відносності Ейнштейна. Але жодна теорія не може погодитися з її значенням.
Насправді існує така величезна розбіжність між спостережуваною величиною цієї константи і тим, що теорія передбачає, що вона вважається найгіршим прогнозом в історії фізики. Вирішення розбіжності може бути найважливішою метою теоретичної фізики цього століття.
Лукас Ломбрізер, доцент кафедри теоретичної фізики в Женевському університеті в Швейцарії, ввів новий спосіб оцінювання рівнянь сили тяжіння Альберта Ейнштейна, щоб знайти значення для космологічної константи, що повністю відповідає його спостережуваному значенню. Він опублікував свій метод в Інтернеті в номері 10 жовтня журналу Physics Letters B.
Як найбільша помилка Ейнштейна стала темною енергією
Історія космологічної константи почалася більше століття тому, коли Ейнштейн представив набір рівнянь, відомих як тепер рівняння Ейнштейна, які стали основою його теорії загальної відносності. Рівняння пояснюють, як матерія та енергія викривляють тканину простору та часу для створення сили тяжіння. У той час і Ейнштейн, і астрономи погодилися, що Всесвіт був зафіксований за розмірами і що загальний простір між галактиками не змінювався. Однак коли Ейнштейн застосував загальну відносність до Всесвіту в цілому, його теорія передбачила нестабільний Всесвіт, який буде або розширюватися, або стискатися. Щоб змусити Всесвіт статичним, Ейнштейн брався за космологічну константу.
Майже через десятиліття інший фізик, Едвін Хаббл, виявив, що наш Всесвіт не є статичним, а розширюється. Світло далеких галактик показало, що всі вони віддаляються одна від одної. Це одкровення переконувало Ейнштейна відмовитися від космологічної константи зі своїх польових рівнянь, оскільки не потрібно було пояснювати всесвіт, що розширюється. Зрештою, фізика зазначила, що Ейнштейн пізніше зізнався, що введення космологічної константи було чи не найбільшою помилкою.
У 1998 р. Спостереження далеких наднових показали, що Всесвіт не просто розширюється, а розширення прискорюється. Галактики прискорювались одна від одної, ніби якась невідома сила долала гравітацію і розсовувала ці галактики. Фізики назвали це загадкове явище темною енергією, оскільки його справжня природа залишається загадкою.
В іронії іронії фізики знову ввели космологічну константу в польові рівняння Ейнштейна для обліку темної енергії. У сучасній стандартній моделі космології, відомій як ΛCDM (Lambda CDM), космологічна константа взаємозамінна з темною енергією. Астрономи навіть оцінили його цінність, базуючись на спостереженнях віддалених наднових та коливань космічного мікрохвильового фону. Хоча значення є абсурдно невеликим (порядком 10 ^ -52 на квадратний метр), за масштабами Всесвіту, це досить вагоме значення для пояснення прискореного розширення простору.
"Космологічна константа в даний час становить близько 70% енергетичного вмісту у нашому Всесвіті. Це те, про що ми можемо зробити висновок про спостережуване прискорене розширення, яке зараз переживає наш Всесвіт. Однак ця константа не зрозуміла", - сказав Ломбризер. "Спроби пояснити це не вдалися, і, здається, є щось принципове, чого нам не вистачає в тому, як ми розуміємо космос. Розгадування цієї головоломки - одна з найважливіших наукових областей сучасної фізики. Як правило, передбачається, що вирішення питання може призвести. нас до більш фундаментального розуміння фізики ".
Найгірший теоретичний прогноз в історії фізики
Вважається, що космологічна константа являє собою те, що фізики називають "енергією вакууму". Теорія квантових полів стверджує, що навіть у абсолютно порожньому вакуумі простору віртуальні частинки спливають і існують і створюють енергію - на перший погляд, абсурдна ідея, але така, яку спостерігали експериментально. Проблема виникає, коли фізики намагаються обчислити її внесок у космологічну константу. Їх результат відрізняється від спостережень розумним коефіцієнтом 10 ^ 121 (за цим 10 слід 120 нулів), найбільшою невідповідністю між теорією та експериментом у всій фізиці.
Така невідповідність змусила деяких фізиків сумніватися в оригінальних рівняннях сили Ейнштейна; деякі навіть пропонували альтернативні моделі гравітації. Однак подальші докази гравітаційних хвиль Лазерним інтерферометром «Гравітаційно-хвильова обсерваторія» (LIGO) лише посилили загальну відносність і відкинули багато з цих альтернативних теорій. Ось чому замість переосмислення сили тяжіння, Ломбрізер застосував інший підхід до вирішення цієї космічної загадки.
"Механізм, який я пропоную, не змінює польові рівняння Ейнштейна", - сказав Ломбрізер. Натомість "це додає додаткове рівняння поверх польових рівнянь Ейнштейна".
Гравітаційна константа, яка вперше була використана в законах гравітації Ісаака Ньютона і тепер є істотною частиною польових рівнянь Ейнштейна, описує величину сили гравітації між об'єктами. Вважається однією з основних констант фізики, вічно незмінною з початку Всесвіту. Ломбрізер зробив драматичне припущення, що ця константа може змінюватися.
У модифікації Ломбрізера загальної відносності гравітаційна константа залишається такою ж у нашому спостережуваному Всесвіті, але може змінюватися і поза нею. Він пропонує мультиверсальний сценарій, коли можуть бути невидимі для нас патчі, які мають різні значення для основних констант.
Ця зміна сили тяжіння дала Ломбрізеру додаткове рівняння, яке пов'язує космологічну постійну із середньою сумою речовини за простором-часом. Після того, як він склав розрахункову масу всіх галактик, зірок і темної речовини Всесвіту, він міг вирішити це нове рівняння, щоб отримати нове значення для космологічної постійної - те, що тісно погоджується зі спостереженнями.
Використовуючи новий параметр ΩΛ (омега лямбда), який виражає частину Всесвіту, виготовлену з темної речовини, він виявив, що Всесвіт складається приблизно з 74% темної енергії. Це число близько відповідає значенню 68,5%, оціненому за спостереженнями - надзвичайне поліпшення порівняно з величезною невідповідністю, виявленою квантовою теорією поля.
Хоча рамка Ломбрізера може вирішити проблему постійної космологічної ситуації, наразі немає можливості її перевірити. Але в майбутньому, якщо експерименти з інших теорій підтвердять його рівняння, це може означати серйозний стрибок у нашому розумінні темної енергії та забезпечити інструмент для вирішення інших космічних таємниць.
