Слово «квант» обычно означает «маленький», и действительно общепринято считать, что квантовая гравитация становится важной только на микроскопических расстояниях или в экстремальных условиях, например, в недрах черных дыр. Но некоторые физики предполагают, что квантовая гравитация может проявляться и в больших масштабах - либо потому, что микроскопические эффекты могут накапливаться на огромных расстояниях в миллиарды световых лет, либо потому, что теория влечет за собой такие драматические изменения в том, как работает гравитация, что это имеет экзотические последствия для галактик. и более крупные конструкции.
Возникли так называемые теории 1970-х годов. Попытка уловить усредненные эффекты квантовой гравитации, эти теории отходят от общей теории относительности в описании кривых пространства-времени в присутствии материи. Изменение незначительное и проявляется только в самых больших космологических масштабах (например, вы не заметите его в нашей галактике), но может привести к силе отталкивания, которая делает ненужной темную энергию.
Если теории попытаются покончить с темной энергией, то теории модифицированной ньютоновской динамики покончат с темной материей. В этом подходе объекты реагируют на гравитацию иначе, чем предполагал Исаак Ньютон. Этот эффект становится важным, когда ускорение силы тяжести падает ниже определенного порога, как это происходит во внешних границах галактик. Фактически, гравитация больше не ослабевает с увеличением расстояния, что объясняет, почему звезды и газ на окраинах галактик вращаются так же быстро, как и вблизи ядра. Первоначально предложенная как модификация законов Ньютона, с тех пор была переработана как уточнение общей теории относительности и, возможно, следствие квантовой гравитации.
Последняя попытка применить квантовую гравитацию к этим проблемам была предпринята Эриком Верлинде из Амстердамского университета в Нидерландах, физиком, имеющим прочную репутацию в области теории струн и квантовой гравитации. С его новой теорией, Верлинде утверждает, что объясняет как темную энергию, так и поведение. Его работа основана на ключевом открытии, появившемся за последние десятилетия, а именно о том, что пространство-время не является гладким континуумом, как его представлял Эйнштейн, а имеет мелкозернистую структуру. Никто на самом деле не знает природу этой предполагаемой микроструктуры, и, возможно, мы не сможем увидеть ее напрямую, но физики могут изучать ее коллективные свойства, такие как энтропия - мера ее внутреннего беспорядка. В 70-х Джейкоб Бекенштейн и Стивен Хокинг показали, что энтропия черной дыры зависит от ее внешней поверхности. Если это масштабное соотношение верно в целом - то есть, если энтропия любого данного объема пространства-времени масштабируется с площадью поверхности его границы, - тогда физики могут вывести из него уравнения общей теории относительности Эйнштейна.
В своей теории возникающей гравитации Верлинде делает смелый шаг: энтропия пространства-времени имеет дополнительный компонент, масштабируемый с объемом. Он думает, что наша Вселенная, которая приближается к пространственно-временной геометрии, называемой пространством де Ситтера, расширяется с ускоренной скоростью, и поэтому имеет космологический горизонт - расстояние, за которое мы не можем видеть, потому что галактики удаляются быстрее, чем их свет может достичь нас. . Такой горизонт очень похож на границу черной дыры и, согласно аргументам Бекенштейна и Хокинга, подразумевает энтропию. Эта энтропия должна быть подсчитана в дополнение к энтропии, которую физики уже приписывают пространству-времени, и, что особенно важно, согласно Верлинде, она не локализована на горизонте.
Чтобы оправдать свои предположения об энтропии, Верлинде обращается к природе микроструктуры пространства-времени. Микроструктура сильно структурирована, поэтому ее части взаимно коррелированы. Обычно физики предполагают, что эти корреляции распространяются только на очень короткие расстояния; свойства двух соседних точек очень похожи, а свойства двух удаленных точек не связаны. Этот паттерн приводит к закону масштабирования площади для энтропии. Но в пространстве де Ситтера Верлинде утверждает, что микроструктура также имеет корреляции, охватывающие большие расстояния. Две далекие точки могут быть очень похожими. Такой паттерн подразумевает закон масштабирования объема.
Распыление энтропии по всему объему равносильно добавлению энергии к вакууму пространства-времени и повышению его температуры. «Эта энергия - темная энергия», - говорит Верлинде. И вот так уходит проблема темной энергии.