Ошибка Эйнштейна: скрытая форма Вселенной может решить одну из величайших загадок физики
Физики связали расширение Вселенной с квантовой топологией, предполагая, что скрытые структуры могут стабилизировать космологическую постоянную ранее неизвестным способом.
Космологическая постоянная — это термин для описания энергии, которая заставляет Вселенную расширяться быстрее с течением времени. Но она представляет собой одну из самых больших нерешенных загадок в физике. Измерения показывают, что эта энергия существует, но ее величина поразительно мала. Квантовая теория поля, объясняющая элементарные частицы и силы взаимодействия, предсказывает, что пустое пространство должно содержать огромное количество энергии. Но если это так, то Вселенная должна была бы разорваться на части почти мгновенно. Вместо этого Вселенная расширяется гораздо более спокойно, позволяя формироваться галактикам, звездам и планетам. Этот разрыв между теорией и наблюдением часто описывается как одно из худших предсказаний в физике. Авторы нового исследования предложили новое объяснение этому несоответствию, пишет Фокус.
У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!
Ошибка Эйнштейна
Космологическая постоянная впервые появилась как член уравнений, описывающих теорию пространства, времени и гравитации Эйнштейна, известную как общая теория относительности. Эйнштейн был вынужден ввести космологическую постоянную, чтобы объяснить стабильную и статичную Вселенную. Эта постоянная представляла собой отталкивающую силу, присутствующую в вакууме пространства, которая противодействовала силе гравитации и предотвращала коллапс Вселенной.
Но в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная не такая стабильная и не статичная, как предполагал Эйнштейн. Выяснилось, что Вселенная расширяется. После этого открытия Эйнштейн убрал космологическую постоянную из своих уравнений.
Затем в 1998 году ученые обнаружили, что расширение Вселенной происходит не с постоянной скоростью, а с ускорением. Это открытие сделало космологическую постоянную необходимой для описания возрастающей скорости расширения Вселенной.
Ошибочное предсказание квантовой теории
Когда физики не использовали космологическую постоянную для описания Вселенной квантовая теория поля стала основой Стандартной модели физики элементарных частиц. Согласно квантовой теории поля, пустое пространство или вакуум, вовсе не пустое. Он состоит из элементарных частиц, которые постоянно появляются и исчезают. Вся эта активность должна была бы привести к тому, что энергия вакуума пространства, описываемая космологической постоянной, была бы практически бесконечной. Тем не менее, ее наблюдаемое значение, которое оценивается по скорости о расширения космоса, не бесконечно. Бесконечное значение привело бы к тому, что Вселенная расширялась бы слишком быстро, чтобы позволить образоваться галактикам, звездам и планетам.
Эксперименты показали, что квантовая теория поля является одной из самых точных и успешных теорий в физике, а потому ее, казалось бы, ошибочное предсказание относительно космологической постоянной является большой загадкой.
Решение одной из самых больших загадок физики
Для своего исследования физики использовали теорию Черна-Саймонса-Кодамы, которая является предполагаемым состоянием квантовой гравитации. Физики до сих пор не пришли к единому мнению относительно теории квантовой гравитации, объясняющей, как работает гравитация на субатомном уровне.
Ученые обнаружили, что математические основы модели квантовой гравитации точно соответствуют уравнениям, используемым для описания квантового эффекта Холла. Это необычное состояние материи, в котором электрический поток ведет себя с поразительной точностью.
В квантовом эффекте Холла электрическая проводимость остается постоянной, даже когда материал содержит дефекты. Эта стабильность обусловлена топологией, то есть формой квантового состояния. Ученые обнаружили аналогичную топологическую особенность в состоянии Черна-Саймонса-Кодамы.
Точно так же, как топология электронных состояний фиксирует напряжение Холла, топология самого пространства-времени фиксирует космологическую постоянную, даже в условиях квантовых колебаний в вакууме пространства, говорят физики.
"Мы показали, что если пространство-время обладает необычной топологией, то это решает одну из самых серьезных проблем космологической постоянной. Все квантовые возмущения, которые должны были бы резко увеличить значение космологической постоянной, инертны благодаря этой топологии, которая поддерживает стабильное значение постоянной", — говорят физики.
По словам авторов исследования, предстоит еще много работы, чтобы полностью разработать топологическое решение проблемы космологической постоянной.
Фокус также писал о том, почему теория физика Стивена Хокинга о том, что Вселенная является голограммой, может оказаться верной.
При написании этого материала использованы источники: Physical Review Letters, SciTechDaily.