Універсальна помилка

Ми використовуємо загальну теорію відносності, magnum opus Альберта Ейнштейна, щоб зрозуміти гравітацію у всіх її проявах, включаючи розширення Всесвіту. Але в рівняннях теорії є місце для деяких маневрів. Зокрема, вони дозволяють використовувати так звану “космологічну константу”, яку можна додати до кінця. Додавання цієї константи не змінює опису теорії нормальних, повсякденних гравітаційних взаємодій, але вона проявляється, коли мова заходить про розрахунки розширення Всесвіту.

Цілком природно було б звести цю константу до нуля та забути про неї, адже історія її виникнення  – це необхідність узгодити теорію зі спостереженнями, популярними на той час. Ейнштейн знайшов у своїх рівняннях теорії відносності проблему: згідно з ними Всесвіт мав би бути динамічним, що ніяк не узгоджувалося з тогочасними уявленнями про статичність та незмінність космосу. Саме тому Ейнштейн придумав цю константу, щоб запобігти динаміці: з нею усі рівняння знову підтверджували нерухомість нашого Всесвіту.

Коли ж астроном Едвін Габбл показав усім, що ми дійсно живемо у Всесвіті, який розширюється, Ейнштейн мав би кусати лікті, адже пропустив чудову можливість прогнозувати це революційне спостереження.

Але сьогодні ми стикаємося вже із прискореним розширенням, і найпростіше пояснення, яке ми маємо для нього, це те, що темна енергія – це просто оригінальна космологічна константа Ейнштейна. Але константа сама по собі є просто числом: а яке її фізичне значення?

Подивіться на вакуум

У 1960-х роках радянський астрофізик Яков Зельдович запропонував пов’язати константу із енергією вакууму, яку прогнозує квантова теорія поля.

Згідно з цією теорією, набір квантових полів пронизує весь простір-час. Іноді шматки цих полів збуджуються і переміщуються: саме тоді ми визначаємо їх як частинки. Але у незбудженому стані поля все ще пов’язані з енергією. Іншими словами, порожній вакуум простору-часу має сильну енергію, і цю енергію можна ідентифікувати як космологічну константу в загальній теорії відносності, а це означає, що це може бути саме темна енергія. А може і ні.

Є ігри, у які ви можете грати, щоб прогнозоване значення темної енергії не дорівнювало безкінечності, але незалежно від того, що ви робитимете, число залишатиметься дуже великим. Але як щодо реальної, спостережуваної кількості темної енергії, яка розраховується з прискорених темпів розширення? ЇЇ дуже мало: енергетичний еквівалент трохи менше 1 атома водню на кубічний метр.

Ця “незначна” невідповідність між прогнозованим значенням темної енергії та спостережуваним темпом розширення Всесвіту є однією з найбільших загадок у сучасній фізиці. І її остаточне вирішення, мабуть, відбудеться лише після повного “порозуміння” між квантовою механікою та загальною теорією відносності.

А поки що ми намагатимемося зрозуміти, як вакуумна енергія може прискорювати розширення Всесвіту.