Про розв’язання загадки космологічної сталої

Проблема космологічної сталої давно займає вчені уми. Однак багато теорій, що дають змогу позбутися її, натомість модифікувавши гравітацію, вводять такі феномени, як тахіони та духи, які можуть бути гіршими за саму хворобу. Утім, на думку деяких дослідників, вихід є.

Седрік Деффайє, відомий фахівець із питань сучасної космології, який працює в Національному центрі наукових досліджень Франції, розповів про останні досягнення модифікованої теорії гравітації. Доповідь прозвучала на Ґінзбурґівській конференції з проблем фізики, що відбулася у Фізичному інституті ім. П. М. Лебедєва РАН (ФІАН).

Основну увагу вчений приділив загадці космологічної сталої — одній із головних нерозв’язаних проблем сучасної фізики.

Коротко нагадаємо історію питання. На початку XX століття Альберт Айнштайн сформулював основні положення та ідеї загальної теорії відносності (ЗТВ), яка описує гравітацію як ефект деформації простору-часу за наявності маси-енергії. При цьому основне для теорії Айнштайна рівняння містило доданок із заданим параметром — космологічною сталою.

Від самого початку її ввели туди штучно. Спершу цю величину запровадили, щоб допустити існування статичного розв’язку рівняння — обґрунтувати можливість існування статичного Всесвіту. Айнштайнові якось не вірилося, що Всесвіт може розширюватися або стискатися, але біда полягала в тому, що без члена з космологічною сталою він рано чи пізно «схлопнувся» б під дією гравітації. Згодом теоретичні роботи Олександра Фрідмана, який обґрунтував космологічну модель Всесвіту, що розширюється, та експериментальні спостереження Едвіна Габбла, який виявив залежність червоного зміщення галактик від відстані до них, переконали Айнштайна в нестаціонарності Всесвіту. На радість науковій спільноті, космологічну сталу, яка не випливала з теорії, усунули з рівнянь.

У 1919 році Артур Еддінґтон на основі спостережень повного сонячного затемнення показав, що світло від зорі викривлялося гравітацією Сонця в точній відповідності до передбачень ЗТВ. (Негатив і фото F. W. Dyson, A. S. Eddington, C. Davidson.)

Але «щасливий кінець» виявився недовговічним. У 1998 році дві великі наукові групи майже одночасно опублікували результати спостережень за динамікою світності наднових зір. Із залежності їхньої світності від відстані дослідники з’ясували, що ці наднові не просто віддаляються від земних спостерігачів, а й роблять це з дедалі більшою швидкістю.

«Щоб пояснити в межах ЗТВ нові експериментальні дані, які вказують на прискорене розширення Всесвіту, потрібно повернути гіпотезу космологічної сталої або вдатися до інших сміливих припущень, — коментує Седрік Деффайє. — Наприклад, запровадити нове поле зі слабкою взаємодією або шукати інші джерела темної енергії, яка становить 75% загальної енергії Всесвіту. Рік тому за це відкриття Сол Перлматтер, Браян Шмідт та Адам Рісс отримали Нобелівську премію з фізики, і наукова спільнота зі свіжими силами заглибилася в пошуки нових моделей гравітації».

Нині космологічну сталу пов’язують з енергією вакууму. І тут виникають проблеми. Енергетичні масштаби густини такої енергії (якщо виходити з космологічної сталої, яку можна пов’язати зі спостереженнями прискорення розширення Всесвіту) виявляються дуже малими. Вони на багато порядків менші за густини енергії інших видів фізичних взаємодій і, головне, за передбачення квантової гравітації для цієї величини. Причини такої розбіжності незрозумілі. Крім того, постає питання про співвідношення поняття енергії вакууму із загадковою темною енергією.

Один із можливих способів пояснити аномальну малість космологічної сталої використовує антропний принцип. Згідно з ним значення цієї спостережуваної сталої є таким, що сприяє виникненню й розвитку розумного життя, вершиною якого є фізичний спостерігач, здатний виміряти цю сталу. Певна натягнутість гіпотези, що пов’язує найважливіші риси навколишнього світу з фактом існування спостерігача, давно обговорюється в науковій спільноті. Девід Ґросс, нагадаємо, свого часу прямо заявив, що антропний принцип є засобом приховати наше незнання відповідей на складні питання. Деякі вчені не погоджуються з цим принципом, а тому розробляють альтернативні моделі гравітації, що модифікують ЗТВ за низьких енергій або на великих відстанях.

Ключова складність таких гіпотез полягає в тому, що вони мають одночасно відрізнятися від нинішніх теорій гравітації на великих відстанях і збігатися з ними на малих, де наявні теорії гарантовано працюють. «Якщо ми пропонуємо модифікацію теорії гравітації, яка дала б змогу описати ефекти темної енергії на великих космологічних масштабах, то потрібно подбати, щоб на малих відстанях і далі працювала гравітація Ньютона або Айнштайна, — зауважує провідний науковий співробітник сектору теорії елементарних частинок ФІАНу Андрій Барвінський. — Це доволі складне завдання, яке зі змінним успіхом розв’язують у межах різних моделей. Ці моделі включають, зокрема, теорію масивної гравітації або моделі з масивними гравітонами. Вивчаються різні аспекти цієї теорії — з усіма її перевагами, недоліками та внутрішніми проблемами».

Основна ідея модифікованої теорії гравітації полягає в усуненні космологічної сталої та будь-яких нових полів, що її імітують. Як уже зазначалося, ні стала, ні нові поля не мають теоретичного обґрунтування. Натомість теорія змінює самі закони тяжіння/гравітації на великих (у космологічних масштабах) відстанях і проміжках часу, що цілком може пояснити прискорене розширення Всесвіту. Одна з таких нових моделей — масивна гравітація, у якій гравітон (переносник гравітаційних взаємодій) вважається масивною частинкою. Доповідь Седріка Деффайє саме й ґрунтувалася на тому, що відмовитися від космологічної сталої в рівняннях ЗТВ можна, додавши до них додатковий член, пов’язаний із масою гравітона.

Але й така модель має свої труднощі. Так, у модифікованих теоріях гравітації з масивним гравітоном виникають феноменологічно заборонені частинки — тахіони (гіпотетичні частинки, що рухаються з надсвітловими швидкостями) та ду́хи. І те, й інше погано. Тахіони, якщо вони здатні передавати інформацію, суперечать твердженню про швидкість світла як максимальну.

«Ду́ховий» (тут ідеться про «поганих духів», bad ghosts) стан означає, що теоретично існують частинки з від’ємною енергією. Унаслідок цього виникає небезпека нестабільності теорії. Іншими словами, якщо певна частка частинок у системі має додатну енергію, а інша — від’ємну, то закон збереження енергії не забороняє процесів необмеженого народження частинок як з одним, так і з іншим знаком енергії, що суперечить сучасним спостереженням. Та й говорити про збереження енергії в ситуації, коли будь-яка її кількість може з’являтися і зникати (якщо з’являється та зникає енергія з від’ємним знаком), також буде складно.

Такий вигляд мав би гіпотетичний тахіон, якби його можна було побачити. Коли він проходить повз найближчу до спостерігача точку, той побачить об’єкт, що раптово виник і розділяється на дві частини, які віддаляються в різні боки. (Іл. Wikimedia Commons.)

Інший неприємний наслідок існування ду́хів (якщо їх не вилучити з теорій модифікованої гравітації) — поява від’ємних імовірностей, уперше згаданих Полем Діраком у 1942 році в роботі «Фізична інтерпретація квантової механіки». Немає потреби докладно зупинятися на дестабілізувальному впливі такої концепції на квантову механіку. Та й за її межами буде не завжди просто відповісти на питання, що таке ймовірність у –10%.

У своїх роботах Седрік Деффайє вивчає механізм розв’язання цієї проблеми. Для цього він аналізує різні нелінійні теорії масивної гравітації, які передбачають складну залежність закону тяжіння від просторового масштабу, на якому він діє, та гарантують відсутність тахіонних і ду́хових нестабільностей.

Проблема таких теорій, як і майже всіх сучасних модифікацій загальної теорії відносності, полягає в тому, що їх потрібно підлаштовувати під експериментальні дані за допомогою зовнішніх параметрів. Водночас у сучасній космології така процедура грубого ручного підлаштування параметрів теорії вважається непродуктивним напрямом, який за своєю суттю не відрізняється від введення тієї самої космологічної сталої.

Найкращою теорією модифікованої гравітації були б певні природні механізми, які приводили б до відомого надзвичайно малого значення космологічної сталої без введення нових сторонніх параметрів. Такі механізми активно шукають.

Підготовлено за матеріалами ФІАН-інформ.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.