Ученый объяснил ускорение Вселенной квантовой неопределенностью
Темная энергия, которая, как считается, отвечает за ускоренное расширение Вселенной, может быть проявлением квантовых свойств самого пространства. Физик из Брауновского университета Саввас Кушиаппас предложил модель, объединяющую космическое ускорение и квантовую гравитацию без введения новых частиц или неизвестных полей. Об этом 20 августа сообщили на научном портале Phys.org.
Почему темная энергия остается загадкой
Квантовая механика описывает процессы на уровне атомов и элементарных частиц, тогда как общая теория относительности объясняет гравитацию и устройство Вселенной в крупнейших масштабах. Обе теории многократно прошли экспериментальные проверки, однако объединить их в единую непротиворечивую систему физикам пока не удалось.
Особенно заметной проблема становится в условиях, где квантовые эффекты и сильная гравитация должны действовать одновременно, например вблизи центра черной дыры или на самых ранних этапах существования Вселенной. Провести прямые эксперименты в подобных условиях современные исследователи не могут.
Не менее сложной остается природа темной энергии. Наблюдения за сверхновыми, распределением галактик и крупномасштабной структурой космоса показывают, что расширение Вселенной ускоряется. В стандартной космологической модели ΛCDM этот эффект описывается космологической постоянной, однако ее происхождение остается неизвестным.
Кроме того, теоретические оценки энергии вакуума и наблюдаемая величина космологической постоянной могут различаться примерно на 122 порядка. Это противоречие известно как проблема космологической постоянной и считается одной из наиболее серьезных нерешенных задач современной физики.
В исследовании, опубликованном 13 августа, Кушиаппас предложил распространить принцип квантовой неопределенности на Вселенную как единое целое. По его гипотезе, размер Вселенной и скорость ее расширения нельзя одновременно определить с произвольно высокой точностью.
В космологии размер однородной расширяющейся Вселенной описывают с помощью масштабного фактора. Он показывает, насколько изменились расстояния между удаленными объектами по сравнению с выбранным моментом времени. Скорость изменения масштабного фактора, в свою очередь, связана с темпом космического расширения.
Кушиаппас ввел измененное коммутационное соотношение между масштабным фактором и скоростью его изменения. Проще говоря, ученый предположил, что геометрия Вселенной может подчиняться собственному варианту принципа неопределенности, отличающемуся от соотношений, применяемых к обычной частице.
Такое изменение приводит к дополнительной геометрической поправке в уравнении Фридмана, описывающем расширение Вселенной. Поправка зависит не от количества вещества или излучения, а от масштабного фактора. Поэтому она относится к самой геометрии пространства, а не к его материальному содержимому.
В этом заключается главное отличие модели от многих других объяснений темной энергии. Она не требует существования пока не обнаруженных частиц, скалярных полей или иной экзотической формы вещества. Наблюдаемое космическое ускорение в таком случае может быть макроскопическим следом квантовых свойств пространства.
При достаточно отрицательном значении параметра n модель приводит к совершенно иному сценарию. Если n меньше –2, квантово-геометрическая поправка быстро усиливается при уменьшении масштабного фактора и не позволяет Вселенной сжаться до точки бесконечной плотности.
Вместо первоначальной сингулярности возникает космологический отскок. Согласно такому сценарию, до расширения Вселенная могла проходить фазу сжатия, а затем, достигнув некоторого минимального размера, начала увеличиваться.
Подобная модель позволяет математически избежать точки, в которой плотность, температура и кривизна пространства должны становиться бесконечными, а известные физические законы перестают работать. Однако речь идет о теоретическом результате, а не о доказательстве того, что реальная Вселенная действительно возникла после отскока.
Кроме того, режим, способный описывать позднюю темную энергию, и режим, устраняющий сингулярность Большого взрыва, соответствуют разным значениям параметров. В минимальном варианте модели один и тот же их набор не может одновременно обеспечить наблюдаемую темную энергию, планковский космологический отскок и нормальную эволюцию ранней Вселенной. Сам автор прямо относит это обстоятельство к ограничениям гипотезы.
Почему квантовые эффекты могут проявляться на больших расстояниях
Обычно предполагается, что квантовая гравитация должна становиться заметной лишь на планковских масштабах — при чрезвычайно малых расстояниях и высоких энергиях. Поэтому ее эффекты чаще связывают с первыми мгновениями после Большого взрыва или внутренними областями черных дыр.
Кушиаппас предлагает другую интерпретацию. В его модели характерный масштаб квантово-гравитационной поправки может определяться космологическим горизонтом — максимальной областью пространства, откуда сигнал в принципе способен достичь наблюдателя.
В этом случае квантовая гравитация не обязательно полностью исчезает при переходе от микромира к космическим расстояниям. Ее свойства могут проявляться непосредственно в том, как меняется скорость расширения всей Вселенной. Автор сравнивает эту логику с температурой Хокинга у черных дыр. Она определяется размером горизонта конкретного объекта, а не всегда фиксируется на планковском уровне. По аналогии параметры квантовой геометрии Вселенной также могут быть связаны с размером ее горизонта.
Такое объяснение пока остается интерпретацией, а не выводом из завершенной фундаментальной теории. Ни петлевая квантовая гравитация, ни теория струн, ни другие существующие подходы пока не позволяют в точности получить предложенное Кушиаппасом соотношение.
Какие вопросы остаются открытыми
Предложенная модель не решает проблему космологической постоянной окончательно. В некоторых вариантах она по-прежнему требует чрезвычайно точной настройки параметров, чтобы итоговая величина соответствовала наблюдаемому ускорению Вселенной.
Не объясняет она и существующее расхождение между разными способами измерения постоянной Хаббла. В рассмотренном сценарии поправка даже немного уменьшает расчетное значение скорости расширения — примерно на 1,5% при одном из выбранных наборов параметров. Это направлено в противоположную сторону от значения, получаемого по наблюдениям близких сверхновых.
Кроме того, пока не доказана устойчивость космологического отскока к возмущениям вещества и геометрии. Не установлено и микроскопическое происхождение предложенного соотношения неопределенности. Полностью калибровочно-инвариантную формулировку модели также еще предстоит разработать.
Таким образом, исследование не доказывает, что темная энергия и квантовая гравитация имеют общее происхождение. Оно предлагает математически определенную и потенциально проверяемую гипотезу, в которой ускоренное расширение может возникать как следствие квантовой структуры пространства.
