Проблема космологической постоянной (HjkQlybg tkvbklkincyvtkw hkvmkxuukw)

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

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:

$\Lambda =8\pi G{\frac {w}{c^{4}}}$ , где $w$ — плотность энергии вакуума.

Эта величина может быть экспериментально измерена благодаря своему влиянию на метрику (кривизну) пространства в целом.

Экспериментальное значение

Космологическая постоянная $\Lambda$ 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: $\Lambda \sim 10^{-53}$ м⁻². Искажения Вселенной становятся ощутимы лишь при масштабах, сравнимых с размером наблюдаемой части Вселенной, ${\frac {1}{\sqrt {\Lambda }}}=3\cdot 10^{26}$ м.

Предсказание

Даже одно-единственное квантовое поле (например, электрон-позитронное) согласно КТП создаёт в вакууме «нулевую» плотность энергии порядка $w\sim m_{e}\left(m_{e}{\frac {c}{\hbar }}\right)^{3}c^{2}$ , что уже само по себе даёт значение космологической постоянной $\Lambda \sim 3\cdot 10^{-17}$ 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

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

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

Нерешённые проблемы современной физики
Ультрафиолетовая катастрофа — сходная проблема с предсказанием классической физики

Примечания

↑ 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

Космологическая постоянная (неопр.). Дата обращения: 10 августа 2012. Архивировано 10 августа 2012 года.
С. Вайнберг. «Проблема космологической постоянной» (Лекции имени Мориса Леба по физике в Гарвардском университете) (рус.) // 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 (неопр.). PBS Spacetime (24 января 2019).

[adler1995-1] 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.

[2] 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.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 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.

[9] Wang, Q.; Unruh, W. G. (2020). "Vacuum fluctuation, microcyclic universes, and the cosmological constant problem". Physical Review D. 102. arXiv:1904.08599.

[3] За эти измерения Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике за 2011 год.

[1]

[2]

[i]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]