Космологическая константа, введенная Альбертом Эйнштейном и позже названная им своей «самой большой ошибкой», остается одной из главных загадок физики. Сегодня с ее помощью астрофизики описывают энергию, ответственную за ускоряющееся расширение Вселенной.
«Самая большая ошибка» Эйнштейна, возможно, нашла объяснение
Новое исследование физиков из Брауновского университета предлагает изящное решение проблемы космологической константы, которую Эйнштейн считал своей «самой большой ошибкой». Ученые показали, что существует такая топология пространства-времени, которая снимает вопросы, которые до сих пор стоят перед физиками.
Удивительная связь между квантовой гравитацией и странным квантовым явлением может пролить свет на то, почему расширение Вселенной протекает настолько упорядоченно. AI/ScienceDaily.com
История космологической константы полна драматических поворотов. Эйнштейн ввел ее в уравнения общей теории относительности исключительно ради того, чтобы удержать модель Вселенной в статичном, неизменном состоянии, уравновесив силы гравитационного притяжения. Когда в 1929 году Эдвин Хаббл доказал, что галактики разлетаются и Вселенная расширяется, Эйнштейн счел константу ненужной и убрал ее. Но в 1998 году астрономы, изучавшие особые сверхновые звезды (так называемые стандартные свечи Ia), потрясли научный мир открытием: Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением. Чтобы объяснить этот феномен, ученым пришлось вернуть космологическую константу обратно в уравнения, связав ее с загадочной темной энергией, которая составляет около 70% всей энергии космоса.
Согласно квантовой теории поля, физический вакуум наполнен квантовыми флуктуациями, которые должны порождать колоссальную энергию. Расчеты показывают, что космологическая константа должна стремиться к бесконечности. Но реальные астрономические наблюдения демонстрируют прямо противоположное: ее истинное значение невероятно мало.
Обычная интуиция подсказывает нам, что, например, мраморный шарик, лежащий в чем-то вроде миски, будет спокойно лежать на дне. Однако квантовая частица, находящаяся в какой-либо ловушке, будет иметь положение и движение, которые постоянно флуктуируют. Эти флуктуации обладают энергией; энергия движения квантовой частицы в ловушке никогда не равна нулю.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Если бы константа была столь велика, как предсказывает теория, Вселенная расширилась бы так стремительно, что галактики, звезды и сама жизнь просто не смогли бы сформироваться. Этот разрыв между квантовой теорией и наблюдениями десятилетиями оставался неразрешимым.
Исследователи из Брауновского университета предложили изящное решение, обнаружив неожиданную математическую связь между квантовой гравитацией и квантовым эффектом Холла, наблюдаемым в физике конденсированного состояния.
На рисунке показан эффект Холла для разных направлений электрического тока и магнитного поля. Легенда: 1 — Электроны (не обычный ток!), 2 — элемент Холла, или датчик Холла, 3 — магниты, 4 — магнитное поле, 5 — источник питания. На рисунке «А» элемент Холла приобретает отрицательный заряд на верхнем краю (обозначен синим цветом) и положительный на нижнем краю(красный цвет). На рисунках «B» и «C» происходит изменение направления электрического тока или магнитного поля, что приводит к изменению поляризации. Изменение направления как тока, так и магнитного поля (рисунок «D») приводит к тому, что элемент Холла снова приобретает отрицательный заряд на верхнем краю.
Физики использовали консервативный подход к квантованию гравитации, известный как состояние Черна — Саймонса — Кодамы (CSK). Оказалось, что математическая структура этого состояния воспроизводит аномальное поведение электронов в экстремально тонких проводниках под воздействием сильного магнитного поля и сверхнизких температур, где проводимость принимает строго фиксированные значения благодаря топологии — свойству системы сохранять характеристики при непрерывных деформациях. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Схема демонстрирует соответствие объема и границы в теории Черна — Саймонса. Трехмерный объем с топологическими линиями Вильсона (слева) проецируется на двухмерную границу (справа), порождая конформную теорию поля с проколами. Этот механизм объясняет устойчивость системы к внешним возмущениям. Связь между квантовым эффектом Холла и теорией Черна — Саймонса — одно из величайших открытий в физике конденсированного состояния. Теория Черна — Саймонса является математическим языком, который идеально описывает внутренний порядок электронной жидкости в эффекте Холла. Именно эту математическую жесткость и стабильность физики из Брауновского университета попытались перенести на космологическую константу: если пространство-время заблокировано подобной топологической структурой, то квантовый хаос вакуума просто не способен изменить его энергию.
Топологическая защита космологической константы
Ученые утверждают, что топология самого пространства-времени в модели CSK способна защитить космологическую константу от бесконечного раздувания. В квантовом эффекте Холла топологическая структура делает электрическое напряжение устойчивым к любым дефектам материала. По аналогии с этим, нетривиальная топология пространства-времени накладывает строгие ограничения на квантовые флуктуации вакуума, делая их инертными.
В результате космологическая константа оказывается квантованной и заблокированной на определенных стабильных уровнях, что спасает ее от катастрофического роста. Хотя авторам еще предстоит детально проработать эту гипотезу, открытие указывает новое многообещающее направление в создании будущей теории квантовой гравитации.
Профессор физики Стефон Александр отметил: «Мы показали, что если пространство-время обладает этой нетривиальной топологией, то это решает одну из самых трудных проблем космологической константы. Все квантовые возмущения, которые должны были бы раздуть значение космологической константы, благодаря этой топологии становятся инертными, что сохраняет значение константы стабильным».
Загружаем