Помилка Ейнштейна: прихована форма Всесвіту може вирішити одну з найбільших загадок фізики

Фізики пов'язали розширення Всесвіту з квантовою топологією, припускаючи, що приховані структури можуть стабілізувати космологічну постійну раніше невідомим способом.

Космологічна постійна — це термін для опису енергії, яка змушує Всесвіт розширюватися швидше з плином часу. Але вона являє собою одну з найбільших невирішених загадок у фізиці. Вимірювання показують, що ця енергія існує, але її величина разюче мала. Квантова теорія поля, що пояснює елементарні частинки і сили взаємодії, пророкує, що порожній простір має містити величезну кількість енергії. Але якщо це так, то Всесвіт мав би розірватися на частини майже миттєво. Замість цього Всесвіт розширюється набагато спокійніше, дозволяючи формуватися галактикам, зіркам і планетам. Цей розрив між теорією і спостереженням часто описується як одне з найгірших передбачень у фізиці. Автори нового дослідження запропонували нове пояснення цій невідповідності, пише Фокус.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Помилка Ейнштейна

Космологічна постійна вперше з'явилася як член рівнянь, що описують теорію простору, часу і гравітації Ейнштейна, відому як загальна теорія відносності. Ейнштейн був змушений ввести космологічну постійну, щоб пояснити стабільний і статичний Всесвіт. Ця постійна являла собою відштовхувальну силу, присутню у вакуумі простору, яка протидіяла силі гравітації і запобігала колапсу Всесвіту.

Але 1929 року астроном Едвін Габбл виявив, що Всесвіт не такий стабільний і не статичний, як припускав Ейнштейн. З'ясувалося, що Всесвіт розширюється. Після цього відкриття Ейнштейн прибрав космологічну постійну зі своїх рівнянь.

Потім у 1998 році вчені виявили, що розширення Всесвіту відбувається не з постійною швидкістю, а з прискоренням. Це відкриття зробило космологічну постійну необхідною для опису зростаючої швидкості розширення Всесвіту.

Помилкове передбачення квантової теорії

Коли фізики не використовували космологічну постійну для опису Всесвіту, квантова теорія поля стала основою Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Згідно з квантовою теорією поля, порожній простір або вакуум, зовсім не порожній. Він складається з елементарних частинок, які постійно з'являються і зникають. Уся ця активність мала б призвести до того, що енергія вакууму простору, описувана космологічною постійною, була б практично нескінченною. Проте її спостережуване значення, яке оцінюється за швидкістю розширення космосу, не нескінченне. Нескінченне значення призвело б до того, що Всесвіт розширювався б занадто швидко, щоб дозволити утворитися галактикам, зіркам і планетам.

Експерименти засвідчили, що квантова теорія поля є однією з найточніших та найуспішніших теорій у фізиці, а тому її, здавалося б, помилкове пророцтво щодо космологічної сталої є великою загадкою.

Розв'язання однієї з найбільших загадок фізики

Для свого дослідження фізики використовували теорію Черна-Саймонса-Кодами, яка є передбачуваним станом квантової гравітації. Фізики досі не дійшли єдиної думки щодо теорії квантової гравітації, яка пояснює, як працює гравітація на субатомному рівні.

Вчені виявили, що математичні основи моделі квантової гравітації точно відповідають рівнянням, які використовуються для опису квантового ефекту Холла. Це незвичайний стан матерії, в якому електричний потік поводиться з вражаючою точністю.

У квантовому ефекті Голла електрична провідність залишається постійною, навіть коли матеріал містить дефекти. Ця стабільність зумовлена топологією, тобто формою квантового стану. Учені виявили аналогічну топологічну особливість у стані Черна-Саймонса-Кодами.

Точно так само, як топологія електронних станів фіксує напругу Холла, топологія самого простору-часу фіксує космологічну сталу, навіть за умов квантових коливань у вакуумі простору, кажуть фізики.

"Ми показали, що якщо простір-час має незвичайну топологію, то це вирішує одну з найсерйозніших проблем космологічної постійної. Усі квантові збурення, які мали б різко збільшити значення космологічної сталої, інертні завдяки цій топології, яка підтримує стабільне значення сталої", — кажуть фізики.

За словами авторів дослідження, попереду ще багато роботи, щоб повністю розробити топологічне розв'язання проблеми космологічної сталої.

Фокус також писав про те, чому теорія фізика Стівена Гокінга про те, що Всесвіт є голограмою, може виявитися правильною.