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.
Как квантовая неопределенность влияет на Вселенную
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.
Может ли модель изменить представления о Большом взрыве
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.