Просмотр кода страницы Проблема космологической постоянной

'''Пробле́ма космологи́ческой постоя́нной''', иногда называемая «'''вакуумной катастрофой'''»<ref name=adler1995 /> — закрепившееся в современной [[Астрофизика|астрофизике]] выражение, означающее противоречие, которое существует между [[Предсказательная сила теории|предсказанием]] значения [[Космологическая постоянная|космологической постоянной]] посредством применения двух фундаментальных физических теорий — [[Общая теория относительности|общей теории относительности]] (ОТО), а также [[Квантовая теория|квантовой физики]], и экспериментальными замерами её величины. Это одна из [[Проблема калибровочной иерархии|проблем калибровочной иерархии]].

Предсказанная величина получается больше экспериментально измеренной на 120 порядков — «наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией», по словам [[Смолин, Ли|Ли Смолина]]<ref>{{книга|автор=Lee Smolin.|заглавие=Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует|оригинал=The trouble with physics: the rise of string theory, the fall of a science, and what comes next|ссылка=http://www.rodon.org/sl/nsfvtsunichzes/|место=Boston|издательство=Houghton Mifflin|год=2006|isbn=9780618551057|archive-date=2014-02-01|archive-url=https://web.archive.org/web/20140201222027/http://www.rodon.org/sl/nsfvtsunichzes/}}</ref>.

== Космологическая постоянная и физический вакуум ==
[[Физический вакуум]], низшее энергетическое состояние [[Квантованное поле|квантованного поля]], согласно предсказаниям [[Квантовая теория поля|квантовой теории поля]] (КТП), имеет некоторую [[плотность энергии]], которая может быть отлична от нуля (так называемая [[нулевая энергия]]). В силу так называемой [[Перенормировка (явление)|перенормировки]] вероятности процессов не зависят от нулевой энергии, так что в рамках КТП нулевая энергия остаётся неизмеримой.

В уравнения [[общая теория относительности|ОТО]] также входит величина, известная как '''[[космологическая постоянная]]''' или лямбда-член — физическая постоянная, характеризующая свойства вакуума:

<math>\Lambda=8\pi G\frac w {c^4}</math>, где <math>w</math> — плотность энергии вакуума.

Эта величина может быть экспериментально [[Измерение (квантовая механика)|измерена]] благодаря своему влиянию на метрику (кривизну) пространства в целом.

== Экспериментальное значение ==
Космологическая постоянная <math>\Lambda</math> может быть измерена благодаря своему влиянию на процесс [[Расширение Вселенной|разбегания галактик]]. Эти измерения были проделаны в 1998 году двумя группами астрономов<ref group="lower-roman">За эти измерения [[Перлмуттер, Сол|Сол Перлмуттер]], [[Шмидт, Брайан|Брайан П. Шмидт]] и [[Рисс, Адам|Адам Рисс]] получили [[Нобелевская премия по физике|Нобелевскую премию по физике]] за 2011 год. </ref>, изучавших сверхновые звёзды (см. [[тёмная энергия]]), и было получено очень малое значение для космологической постоянной: 
<math>\Lambda \sim 10^{-53}</math> м<sup>−2</sup>. 
Искажения Вселенной становятся ощутимы лишь при масштабах, сравнимых с размером [[Метагалактика|наблюдаемой части Вселенной]], <math>\frac{1}{\sqrt{\Lambda}}=3\cdot10^{26}</math> м.

== Предсказание ==
Даже одно-единственное [[квантовое поле]] (например, электрон-позитронное) согласно [[Квантовая теория поля|КТП]] создаёт в вакууме «нулевую» плотность энергии порядка <math>w \sim m_e\left(m_e \frac{c}{\hbar}\right)^3c^2</math>, что уже само по себе даёт значение космологической постоянной <math>\Lambda\sim3\cdot10^{-17}</math> м<sup>−2</sup>, завышенное на много порядков. 
Более аккуратная оценка «нулевой» энергии методами КТП по порядку величины приближается к [[Планковская плотность|планковской плотности]] (масса и энергия связаны [[Уравнения Эйнштейна|уравнением Эйнштейна]]), что ещё дальше от действительности.

=== Перенормировка ===
Применением [[Перенормировка|перенормировки]] можно приравнять энергию вакуума в КТП любому заданному значению, в том числе и экспериментально измеренному значению космологической постоянной; в таком случае она будет рассматриваться как ещё одна [[Фундаментальные физические постоянные|фундаментальная физическая постоянная]], не предсказанная и никак не объясняемая теорией<ref>{{cite journal
 |year=2002
 |title=The quantum vacuum and the cosmological constant problem
 |url=http://philsci-archive.pitt.edu/398/
 |journal=Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics
 |volume=33
 |pages=663–705
 |doi=10.1016/S1355-2198(02)00033-3
 |issue=4
 |bibcode=2002SHPMP..33..663R
 |arxiv=hep-th/0012253
 |s2cid=9007190
 |last1=Rugh
 |first1=S.E.
 |last2=Zinkernagel
 |first2=H.
 |access-date=2024-04-29
 |archive-date=2010-11-30
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20101130161201/http://philsci-archive.pitt.edu/398/
 |url-status=live
 }}</ref>.
Однако подбор параметров такой перенормировки должен быть чрезвычайно точным (с порядком точности не меньше, чем порядок расхождения между «ненормированным» предсказанием КТП и наблюдаемым значением), поэтому многие теоретики считают необходимость настолько точной подстройки не решением, а скорее игнорированием проблемы<ref name=adler1995>{{cite journal |last1=Adler |first1=Ronald J. |last2=Casey |first2=Brendan |last3=Jacob |first3=Ovid C. |title=Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem |journal=American Journal of Physics |volume=63 |issue=7 |year=1995 |pages=620–626 |issn=0002-9505 |doi=10.1119/1.17850 |bibcode=1995AmJPh..63..620A |doi-access=free}}</ref>.

== Предложенные варианты решения ==
Часть предложенных решений включает изменение или дополнение законов [[Гравитационное взаимодействие|гравитационного взаимодействия]] в общей теории относительности, однако они сталкиваются с тем же затруднением, что и другие [[альтернативные теории гравитации]]:
наблюдения и эксперименты с высокой точностью согласуются с предсказаниями ОТО, а применение альтернативных моделей в лучшем случае не приводит к увеличению предсказательной точности. Кроме того, многие из этих решений существенно неполны, поскольку решают «новую» проблему космологической постоянной, принимая нулевую энергию вакуума строго равной нулю (или же постулируя, как в модели «унимодулярной гравитации», предложенной [[Эллис, Джордж Фрэнсис|Дж. Эллисом]] с коллегами<ref>{{cite journal |last=Ellis |first=George F. R. |authorlink=Эллис, Джордж Фрэнсис |title=The trace-free Einstein equations and inflation |journal=[[General Relativity and Gravitation]] |year=2014 |volume=46 |pages=1619 |doi=10.1007/s10714-013-1619-5 |arxiv=1306.3021|bibcode=2014GReGr..46.1619E |s2cid=119000135 }}</ref><ref>{{cite journal |last=Percacci |first=R. |title=Unimodular quantum gravity and the cosmological constant |doi=10.1007/s10701-018-0189-5 |arxiv=1712.09903 |year=2018 |journal=Foundations of Physics |volume=48 |number=10 |pages=1364–1379|bibcode=2018FoPh...48.1364P |s2cid=118934871 }}</ref>,
что [[нулевые колебания]] вакуума в принципе не гравитируют), но оставляют нерешённой «старую» проблему: отчего эта энергия так мала по сравнению с предсказанной в КТП?<ref>{{cite journal |last1=Bull |first1=Philip |display-authors=etal |title=Beyond ΛCDM: Problems, solutions, and the road ahead |journal=Physics of the Dark Universe |date=June 2016 |volume=12 |pages=56–99 |doi=10.1016/j.dark.2016.02.001|arxiv=1512.05356 |bibcode=2016PDU....12...56B |s2cid=118450389 }}</ref>

Чтобы решить одновременно и «старую» проблему, [[Унру, Уильям|Билл Унру]] с соавторами предлагают сделать ряд смелых допущений: если предположить, что «нулевые колебания» физического вакуума можно смоделировать как [[Флуктуация|флюктуации]] некоего квантового поля, и в предположении, что эти возмущения находятся в противофазе в соседних областях пространства (на очень мелких, принципиально ненаблюдаемых современной физикой масштабах, близких к планковским), то можно было бы ожидать возникновения своего рода «[[Квантовая пена|квантовой пены]]», которая при дополнительных допущениях могла бы приводить на больших (астрофизических) масштабах к очень ограниченному расширению пространства, сравнимому с экспериментально наблюдаемым, на основании дополнительно вводимого Унру «параметрического резонанса»<ref>{{cite journal |last1=Wang |first1=Qingdi |last2=Zhu |first2=Zhen |last3=Unruh |first3=William G. |authorlink3=Унру, Уильям |title=How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe |journal=[[Physical Review D]] |volume=95 |issue=10 |year=2017 |page=103504 |doi=10.1103/PhysRevD.95.103504 |arxiv=1703.00543|bibcode=2017PhRvD..95j3504W |s2cid=119076077 }}</ref>, и даже позволяла бы постулировать замедление этого расширения со временем<ref>{{cite journal |last1= Wang |first1= Q. | first2= W. G. |last2= Unruh |title=Vacuum fluctuation, microcyclic universes, and the cosmological constant problem |journal=[[Physical Review D]] |volume=102 |year=2020 |arxiv=1904.08599}}</ref>.

== См. также ==
* [[Нерешённые проблемы современной физики]]
* [[Ультрафиолетовая катастрофа]] — сходная проблема с предсказанием классической физики

== Примечания ==
{{примечания}}
'''Комментарии'''
{{примечания|group="lower-roman"}}

== Ссылки ==
* {{cite web|url=http://elementy.ru/trefil/21076|title=Космологическая постоянная|accessdate=2012-08-10|archiveurl=https://www.webcitation.org/69oqLiCG4?url=http://elementy.ru/trefil/21076|archivedate=2012-08-10|deadlink=no}}
* {{статья|автор=С. Вайнберг|заглавие=«Проблема космологической постоянной» (Лекции имени Мориса Леба по физике в Гарвардском университете)|ссылка=https://ufn.ru/ru/articles/1989/8/d/|издание=[[Успехи физических наук]]|год=1989|том=158|выпуск=8|страницы=639—678|doi=10.3367/UFNr.0158.198908d.0639|archiveurl=https://www.webcitation.org/69oqs82bs?url=http://ufn.ru/ufn89/ufn89_8/Russian/r898d.pdf|archivedate=2012-08-10|язык=ru|издательство=[[Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН|Российская академия наук]]}}
* [http://cdn.scipeople.ru/materials/55751/The_cosmological_constant_problem.pdf К проблеме космологической постоянной]
* {{cite web |first=Matt |last=O'Dowd|title=The Crisis in Cosmology |date=2019-01-24 |work=PBS Spacetime |url=https://www.youtube.com/watch?v=72cM_E6bsOs}}

{{Внешние ссылки}}

[[Категория:Астрофизика]]
[[Категория:Космология]]
[[Категория:Нерешённые проблемы современной физики]]