Астрономы намерены разрешить загадку космологической постоянной

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн сформулировал основные положения и идеи общей теории относительности, описывающей гравитацию как эффект деформации пространства-времени в присутствии массы-энергии.

Сотрудник Национального центра научных исследований Франции (APC, CNRC Paris), специалист по вопросам современной космологии Седрик Деффайе рассказал на Гинзбурговской конференции по физике в ФИАН о последних достижениях в области модифицированной теории гравитации, которые могут помочь разрешить загадку космологической постоянной – одну из главных нерешенных проблем современной физики.

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн сформулировал основные положения и идеи общей теории относительности (ОТО), описывающей гравитацию как эффект деформации пространства-времени в присутствии массы-энергии. При этом уравнение Эйнштейна, основное для теории, содержало слагаемое с задаваемым параметром – космологической постоянной. Изначально эта величина была введена для допущения существования статического решения уравнения: Эйнштейну не верилось, что Вселенная может расширяться или сжиматься, а без члена с космологической постоянной она бы «схлопывалась» под действием гравитации. Впоследствии теоретические работы Александра Фридмана (космологическая модель расширяющейся Вселенной) и экспериментальные наблюдения Хаббла (зависимость красного смещения галактик от расстояния) убедили Эйнштейна в нестационарности Вселенной. Таким образом, космологическая постоянная была устранена из уравнений.

В 1998 году две крупных научных группы практически одновременно опубликовали результаты своих наблюдений за динамикой сверхновых звезд. По зависимости их светимости от расстояния ученые выяснили, что они не просто удаляются от нас, а делают это со все возрастающей скоростью.

«Для объяснения в рамках ОТО этих новых экспериментальных данных, указывающих на ускоренное расширение Вселенной, требуется возвращение гипотезы космологической постоянной или же некоторые другие смелые допущения – например, введение нового слабовзаимодействующего поля или поиск иных источников темной энергии, которая дает 75% вклада в общую энергию Вселенной. Год назад за это открытие Сол Перлмуттер, Брайн Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике, а научная общественность с новыми силами углубилась в поиски новых моделей гравитации», – комментирует Седрик Деффайе.

Космологическая постоянная ассоциируется с энергией вакуума. И здесь возникают проблемы: характерные энергетические масштабы плотности такой энергии оказываются очень малыми – на много порядков меньше плотностей энергии других видов физических взаимодействий и, главное, предсказаний квантовой гравитации для этой величины. Кроме того, возникает вопрос о соотношении этого понятия с загадочной темной энергией. Один из возможных способов объяснения аномальной малости космологической постоянной использует антропный принцип. Согласно ему, значение этой наблюдаемой константы таково, что способствует возникновению и развитию разумной жизни, вершина которой есть физический наблюдатель, способный измерить эту константу. Некоторые ученые не согласны с такой теорией и поэтому разрабатывают альтернативные модели гравитации, модифицирующие ОТО при низких энергиях или же на больших расстояниях. В рамках конференции памяти Гинзбурга несколько докладов как раз были посвящены разработке таких модификаций.

Комментирует ведущий научный сотрудник сектора теории элементарных частиц ФИАН, доктор физико-математических наук Андрей Барвинский: «Если мы предлагаем модификацию теории гравитации, которая позволила бы описать эффекты темной энергии на больших космологических масштабах, то нужно позаботиться о том, чтобы на малых расстояниях продолжала работать гравитация Ньютона или Эйнштейна. Это – довольно сложная задача, которая с переменным успехом решается в рамках разных моделей. Эти модели включают, в частности, теорию массивной гравитации или модели с массивными гравитонами. Изучаются различные аспекты этой теории со всеми ее достоинствами, недостатками и внутренними проблемами».

Основная идея модифицированной теории гравитации состоит в устранении космологической постоянной и каких-либо новых полей, имитирующих таковую. Вместо этого изменяются сами законы тяготения/гравитации на космологических масштабах расстояний и времени, что вполне может привести к объяснению ускоренного расширения Вселенной. Одна из таких новых моделей – это массивная гравитация, в которой гравитон, переносчик взаимодействий, предполагается массивной частицей. Доклад Деффайе как раз и заключался в том, что в уравнения общей теории относительности добавляется дополнительный член, связанный с массой гравитона.

В этих моделях тоже возникают свои трудности. Так, зачастую в модифицированных теориях гравитации с массивным гравитоном возникают феноменологически запрещенные частицы – тахионы (гипотетические частицы, двигающиеся со сверхсветовыми скоростями) и духи. Духовое состояние означает, что в теории существуют частицы с отрицательной энергией. В результате возникает опасность того, что теория станет нестабильной. Иными словами, если некая доля частиц в системе обладает положительной энергией, а другая доля – отрицательной, то закон сохранения энергии не запрещает процессов неограниченного рождения частиц как того, так и другого знака энергии, что противоречит наблюдениям. Деффайе в своих работах изучает механизм разрешения этой проблемы. Для этого он анализирует различные нелинейные теории массивной гравитации, предполагающие сложную зависимость закона тяготения от пространственного масштаба, на котором он действует, и гарантирующие отсутствие тахионных и духовых нестабильностей.

Почти все современные модификации общей теории относительности пока страдают тем недостатком, что должны быть подстроены под экспериментальные данные. В то же время в современной космологии такая процедура грубой подстройки руками параметров теории считается отрицательным направлением. Нужно иметь какие-то естественные механизмы, которые приводили бы к известному чрезмерно малому значению космологической постоянной. Их поисками уже занимаются.

Источник: АНИ «ФИАН-информ»

Читать полностью: