Решиха ли космологичната константа на Айнщайн, която мъчи физиците повече от век?

Едно число, наречено космологична константа, преодолява микроскопичния свят на квантовата механика и макроскопичния свят на теорията на общата относителност на Айнщайн. Но нито една от двете теории не може да се съгласи с неговата стойност.

Всъщност има такова огромно разминаване между наблюдаваната стойност на тази константа и това, което теорията предсказва, че тя се счита за най-лошата прогноза в историята на физиката.

Разрешаването на това несъответствието може да бъде определено като най-важната цел на теоретичната физика през този век.

Лукас Ломбризер, доцент по теоретична физика в Университета в Женева, Швейцария, въвежда нов начин за оценка на уравненията на гравитацията на Алберт Айнщайн, за да намери стойност за космологичната константа, която почти съвпада с нейната наблюдавана стойност. Той ще публикува своя метод в броя от 10 октомври на списание Physics Letters B.

Историята на космологичната константа започва преди повече от век, когато Айнщайн представя набор от уравнения, днес известни като „полевите уравнения на Айнщайн“, които стават рамката на неговата теория за общата относителност. Уравненията обясняват как материята и енергията изкривяват тъканта на пространството и времето, за да създадат силата на гравитацията. По това време и Айнщайн, и астрономите се съгласяват, че Вселената е фиксирана по размер и че общото пространство между галактиките не се променя. Въпреки това, когато Айнщайн прилага общата относителност към Вселената като цяло, неговата теория предсказва нестабилна Вселена, която или ще се разшири, или ще се свие. За да принуди Вселената да бъде статична, Айнщайн се придържа към космологичната константа.

Близо десетилетие по-късно друг физик, Едвин Хъбъл открива, че Вселената не е статична, а се разширява. Светлината от далечни галактики показва, че всички те се отдалечават една от друга. Това откровение убеждава Айнщайн да изостави космологичната константа от своите полеви уравнения, тъй като вече не е необходимо да се обяснява разширяващата се вселена. Според някои физици, Айнщайн по-късно признава, че въвеждането на космологичната константа е може би най-голямата му грешка.

През 1998 г. наблюденията на далечни свръхнови показват, че Вселената не просто се разширява, но разширяването се ускорява. Галактиките ускорено се отдалечават една от друга, сякаш някаква неизвестна сила преодолява гравитацията и раздвижва тези галактики, отдалечавайки ги една от друга. Физиците са нарекли това загадъчно явление тъмна енергия, тъй като истинската му същност остава загадка.

Иронично но факт, физиците отново въвеждат космологичната константа в полевите уравнения на Айнщайн, този път за да отчитат тъмната енергия. В сегашния стандартен модел на космологията, известен като ΛCDM (Ламбда CDM), космологичната константа е взаимнозаменяема с тъмната енергия. Астрономите дори са оценили стойността й въз основа на наблюдения на далечни свръхнови и колебания в космическия микровълнов фон. Въпреки че стойността е абсурдно малка (от порядъка на 10 ^ -52 на квадратен метър), за мащаба на цялата Вселена е достатъчно значима, за да обясни ускореното разширяване на пространството.

„Космологичната константа [или тъмната енергия] в момента представлява около 70% от енергийното съдържание във Вселената. Това е, което можем да заключим от наблюдаваното ускорено разширение на Вселената. И все пак тази константа все още не се разбира“, казва Ломбризер. „Опитите да я обясним се провалиха и изглежда, че има нещо фундаментално, което ни липсва в разбирането на Космоса. Разгадаването на този пъзел е една от основните изследователски области в съвременната физика. Приема се, че разрешаването на този проблем може да доведе до по-фундаментално разбиране на физиката“.

Смята се, че космологичната константа представлява онова, което физиците наричат „вакуумна енергия“. Теорията на квантовото поле гласи, че дори в напълно празен вакуум на пространството, виртуалните частици изскачат и излизат от съществуване и създават енергия – на пръв поглед абсурдна идея, но такава, която е наблюдавана експериментално. Проблемът възниква, когато физиците се опитват да изчислят приноса й към космологичната константа. Резултатът им се различава от наблюденията драстично, става въпрос за 10 ^ 121 (това е 10, последвано от 120 нули), което е най-голямото несъответствие между теория и експеримент в историята на цялата физика.

Подобно несъответствие накара някои физици да се усъмнят в оригиналните уравнения на гравитацията на Айнщайн; някои дори предложиха алтернативни модели на гравитация. По-нататъшните доказателства за гравитационните вълни от Лазерната интерферометрова гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) само засилиха общата относителност и отхвърлиха много от тези алтернативни теории. Ето защо вместо да преосмисли гравитацията, Ломбризер предприема различен подход, за да реши този космически пъзел.

„Механизмът, който предлагам, не променя полевите уравнения на Айнщайн“, казва Ломбризер. Вместо това, „той добавя допълнително уравнение на върха на полевите уравнения на Айнщайн“.

Гравитационната константа, използвана за първи път в гравитационните закони на Исак Нютон и сега съществена част от полевите уравнения на Айнщайн, описва величината на гравитационната сила между обектите. Счита се за една от основните константи на физиката, вечна и непроменена от началото на Вселената. Ломбризер прави драматичното предположение, че тази константа може да се промени.

В модификацията на Ломбризер на общата относителност, гравитационната константа остава същата в нашата наблюдаема Вселена, но може да варира извън нея. Той предлага многостранен сценарий, при който може да има петна от невидимата за нас Вселена, които имат различни стойности за основните константи.

Тази промяна на гравитацията дава на Ломбризер допълнително уравнение, което свързва космологичната константа със средната сума на материята в пространство-времето. След като отчете прогнозната маса на всички галактики, звезди и тъмна материя на Вселената, той можеше да реши това ново уравнение, за да получи нова стойност за космологичната константа – такава, която е много близка до наблюденията.

Използвайки нов параметър ΩΛ (омега ламбда), който изразява фракцията от Вселената, направена от тъмна материя, той установява, че Вселената е съставена от около 74% тъмна енергия. Това число е много близко до стойността от 68,5%, изчислена от наблюденията. – Подобрението е огромно спрямо невероятното несъответствие, открито от теорията на квантовите полета.

Въпреки че рамката на Ломбризер може да реши проблема с космологичната константа, в момента няма начин този резултат да се тества. Но в бъдеще, ако експериментите от други теории потвърдят уравненията му, това може да означава голям скок в разбирането за тъмната енергия и да предостави инструмент за разрешаване на други космически мистерии.