Для начала давайте определимся, что же это такое - космологическая постоянная. Открываем Википедию, читаем:
«Космологическая постоянная (обозначается греческой буквой Λ, «лямбда») — фундаментальная физическая постоянная, которая входит в уравнения общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и характеризует свойства и энергию вакуума. По состоянию на 2020 год она составляет Λ = 1,089(29) х 10^−52 м^−2.»
Откуда она появилась? Немного истории…
С тех пор, как Ньютон сформулировал свои законы гравитации, его всегда удивляло, почему, если массы притягиваются друг к другу, Вселенная не коллапсировала под действием собственной гравитации. Ведь звезды и планеты должны по идее притягиваться друг к другу и со временем слиться воедино.
Он оставил этот вопрос нерешенным, и в течение двух столетий научный мир использовал его теорию, замалчивая проблему, считая, что Вселенная остается в статичном состоянии «по воле Божьей» или, возможно, потому, что притяжение настолько медленное, что его нельзя измерить.
Когда Эйнштейн расширил теорию Ньютона до своей общей теории относительности, с учетом более совершенных астрономических знаний того времени, он понял, что проблема Ньютона действительно серьезная. Его уравнения ясно показывали, что Вселенная не может оставаться стабильной долгое время; нестабильность, вызванная движением тел, должна нарушать равновесие, и гравитационный коллапс должен быть неизбежным. Но что-то препятствует этому.
В то время про расширение Вселенной еще не слышали и считали, что Вселенная находится в статичном состоянии. Поэтому Эйнштейн ввел в уравнения фактор «расширения», который был точно рассчитан таким образом, чтобы препятствовать сближению небесных тел и, таким образом, поддерживать Вселенную в устойчивом стабильном состоянии. Он устранил коллапс, введя «космологическую постоянную», которая, по сути, была поправочным коэффициентом для решения проблемы Ньютона.
Когда же, благодаря работам Хаббла, обнаружилось, что Вселенная разлетается на части, Эйнштейн смутился из-за своей «постоянной» и посчитал ее излишней.
Но в 1998 году анализ сверхновых показал, что Вселенная ускоряет свое расширение. Из-за таинственного фактора, получившего название «темная энергия», Вселенная расширяется все быстрее и быстрее. Чтобы учесть это пришлось вновь ввести фактор «космологической постоянной».
Теперь к сути.
В чем проблема космологической постоянной? Что за сложности стоят за ней?
Итак, начиная с 1990-х годов, стало известно, что расширение Вселенной, по всей видимости, ускоряется.
Это ускорение следует из уравнений общей теории относительности, если добавить туда космологическую постоянную. Сам Эйнштейн, как уже было написано выше, придумал этот параметр для описания статичной Вселенной, но в итоге оказалось, что этот «элемент» как раз помогает объяснить обратное — ускорение расширения космоса.
Что лежит в основе космологической постоянной?
Сегодня ее связывают с энергией вакуума — энергией, присущей самому пространству. По сути, это «фоновая» энергия, которая может влиять на скорость расширения Вселенной.
Это может быть просто константой природы. Но возможно, за этим скрывается нечто иное: некое поле, обладающее отрицательным давлением. Именно это отрицательное «уравнение состояния» характеризует космологическую постоянную, и именно оно необходимо для того, чтобы Вселенная ускоряла расширение, а не замедляла его.
Так в чем проблема?
Согласно лучшей, на сегодняшний день, теории, квантовой теории поля, сам вакуум не является полностью пустым: он представляет собой динамическую среду, наполненную квантовыми флуктуациями и виртуальными частицами. И он обладает энергией, даже когда находится в своем низшем, «основном», энергетическом состоянии. Это, так называемая, энергия нулевых колебаний. И этот вакуум имеет именно то отрицательное уравнение состояния, которое и нужно! Следовательно, космологическая постоянная может быть просто энергией нулевых колебаний вакуума.
Но не все так просто. Если воспринимать предсказания квантовой теории поля буквально, то энергия нулевых колебаний не только существует, но и бесконечна. Это потому, что небольшая остаточная энергия нулевых колебаний присутствует на каждой возможной частоте, а таких частот бесконечное множество. И если все это сложить, получится неприятная для физиков бесконечность.
Поэтому у ученых появились основания полагать, что квантовая теория поля, какой бы успешной она ни была, все же не работает на очень высоких частотах (энергиях), близких к так называемой планковской шкале. Поэтому вместо суммирования энергии нулевых колебаний для всех частот они решили просто просуммировать ее до планковской шкалы, не уходя в бесконечность. Тогда в итоге получается конечное число для плотности энергии нулевых колебаний Вселенной и все вроде бы идет отлично, за исключением…
За исключением того, что рассчитанная плотность энергии примерно на 120 порядков завышена по сравнению со значением космологической постоянной, которая выводится из ускоренного расширения, наблюдаемого при исследовании далеких сверхновых.
120 порядков! Много это или мало?
- 1 порядок величины — это умножение на 10.
- 120 порядков величины — умножение на единицу с 120 нулями. О, как! И такому числу даже дали название — новемтригинтиллион.
Получается, что теория дает результат в невероятно огромное число раз больше реального? И ученые решили немного улучшить ситуацию: если учесть особые симметрии в природе, расхождение уменьшится до 60 порядков. И дали такому числу название - новемдециллион — и оно все еще гигантское число!
В общем, если коротко, то: проблема космологической постоянной — это огромное несоответствие между тем, сколько энергии должно быть в пустом пространстве по теории (очень много), и тем, сколько ее «работает» реально (очень мало). И это одна из загадок современной физики, которая как заноза сидит в головах у ученых и постоянно напоминает им, что их понимание вакуума, гравитации и темной энергии явно недостаточны.