О решении загадки космологической постоянной

Проблема космологической постоянной давно занимает учёные умы. Однако многие теории, позволяющие избавиться от неё, модифицировав взамен гравитацию, вносят такие феномены, как тахионы и духи, которые могут быть хуже самой болезни. Впрочем, по мнению некоторых исследователей, выход есть.

Седрик Деффайе, известный специалист по вопросам современной космологии, работающий в Национальном центре научных исследований Франции, рассказал о последних достижениях модифицированной теории гравитации. Доклад был сделан на Гинзбурговской конференции по проблемам физики, которая проходила в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН).

Основное внимание учёный уделил загадке космологической постоянной — одной из главных нерешённых проблем современной физики.

Кратко напомним историю вопроса. В начале XX века Альберт Эйнштейн сформулировал основные положения и идеи общей теории относительности (ОТО), описывающей гравитацию как эффект деформации пространства-времени в присутствии массы-энергии. При этом основное для теории Эйнштейна уравнение содержало слагаемое с задаваемым параметром — космологической постоянной.

С самого начала она была введена туда искусственно. Изначально эта величина внедрялась для допущения существования статического решения уравнения — обоснования возможности существования статической Вселенной. Эйнштейну как-то не верилось, что Вселенная может расширяться или сжиматься, но беда была в том, что без члена с космологической постоянной она рано или поздно «схлопывалась» бы под действием гравитации. Затем теоретические работы Александра Фридмана, обосновавшего космологическую модель расширяющейся Вселенной, и экспериментальные наблюдения Эдвина Хаббла, выявившего зависимость красного смещения галактик от расстояния до них, убедили Эйнштейна в нестационарности Вселенной. К радости научного сообщества, космологическая постоянная, не вытекавшая из теории, была устранена из уравнений.

В 1919 году Артур Эддингтон на основе наблюдений полного солнечного затмения показал, что свет от звезды искривлялся гравитацией Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО. (Негатив и фото F. W. Dyson, A. S. Eddington, C. Davidson.)

Но «хеппи-энд» оказался невечным. В 1998 году две крупные научные группы почти одновременно опубликовали результаты наблюдений за динамикой светимости сверхновых звёзд. По зависимости их светимости от расстояния исследователи выяснили, что эти сверхновые не просто удаляются от земных наблюдателей, но и делают это со всё возрастающей скоростью.

«Для объяснения в рамках ОТО новых экспериментальных данных, указывающих на ускоренное расширение Вселенной, требуется возвращение гипотезы космологической постоянной или же другие смелые допущения, — комментирует Седрик Деффайе. — Например, введение нового слабовзаимодействующего поля или поиск иных источников тёмной энергии, которая даёт 75% вклада в общую энергию Вселенной. Год назад за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике, и научная общественность со свежими силами углубилась в поиски новых моделей гравитации».

Сейчас космологическая постоянная ассоциируется с энергией вакуума. И здесь возникают проблемы. Энергетические масштабы плотности такой энергии (исходя из космологической постоянной, которую можно увязать с наблюдением ускорения расширения Вселенной) оказываются очень малы. Они на много порядков меньше плотностей энергии других видов физических взаимодействий и, главное, предсказаний квантовой гравитации для этой величины. Причины такого расхождения неясны. Кроме того, возникает вопрос о соотношении понятия энергии вакуума с загадочной тёмной энергией.

Один из возможных способов объяснения аномальной малости космологической постоянной использует антропный принцип. Согласно ему, значение этой наблюдаемой константы таково, что способствует возникновению и развитию разумной жизни, вершина которой есть физический наблюдатель, могущий измерить эту константу. Некоторая натянутость гипотезы, связывающей важнейшие черты окружающего наблюдателя мира с фактом существования наблюдателя, давно дискутируется в научном сообществе. Дэвид Гросс, напомним, в своё время заявил без околичностей, что антропный принцип является средством прикрытия незнания нами ответов на сложные вопросы. Некоторые учёные не согласны с этим принципом, а потому разрабатывают альтернативные модели гравитации, модифицирующие ОТО при низких энергиях или же на больших расстояниях.

Ключевая сложность таких гипотез заключается в том, что они должны одновременно отличаться от нынешних теорий гравитации для больших расстояний и совпадать с ними на малых, где имеющиеся теории гарантированно работают. «Если мы предлагаем модификацию теории гравитации, которая позволила бы описать эффекты тёмной энергии на больших космологических масштабах, то нужно позаботиться о том, чтобы на малых расстояниях продолжала работать гравитация Ньютона или Эйнштейна, — замечает на этот счёт ведущий научный сотрудник сектора теории элементарных частиц ФИАНа Андрей Барвинский. — Это довольно сложная задача, которая с переменным успехом решается в рамках разных моделей. Эти модели включают, в частности, теорию массивной гравитации или модели с массивными гравитонами. Изучаются различные аспекты этой теории — со всеми её достоинствами, недостатками и внутренними проблемами».

Основная идея модифицированной теории гравитации состоит в устранении космологической постоянной и каких-либо новых полей, имитирующих таковую. Как уже отмечалось, никакого теоретического обоснования ни у постоянной, ни у новых полей нет. Вместо этого теория изменяет сами законы тяготения/гравитации на больших (в космологических масштабах) расстояниях и отрезках времени, что вполне может привести к объяснению ускоренного расширения Вселенной. Одна из таких новых моделей — массивная гравитация, в которой гравитон (переносчик гравитационных взаимодействий) считается массивной частицей. Доклад Седрика Деффайе как раз и строился на том, что отказаться от космологической постоянной в уравнениях ОТО можно, добавив в них дополнительный член, связанный с массой гравитона.

Но в такой модели тоже есть свои трудности. Так, в модифицированных теориях гравитации с массивным гравитоном возникают феноменологически запрещённые частицы — тахионы (гипотетические частицы, двигающиеся со сверхсветовыми скоростями) и дýхи. И то и другое плохо. Тахионы, если они способны предавать информацию, противоречат утверждению о скорости света как максимальной.

«Дýховое» (здесь речь идёт о «плохих духах», bad ghosts) состояние означает, что теоретически существуют частицы с отрицательной энергией. В результате возникает опасность того, что теория станет нестабильной. Другими словами, если некая доля частиц в системе обладает положительной энергией, а другая доля — отрицательной, то закон сохранения энергии не запрещает процессов неограниченного рождения частиц как того, так и другого знака энергии, что противоречит современным наблюдениям. Да и говорить о сохранении энергии в ситуации, когда любое её количество может появляться и исчезать (если появляется и исчезает энергия с отрицательным знаком), тоже будет затруднительно.

Так выглядел бы гипотетический тахион, если бы его можно было увидеть. Когда он проходит мимо ближайшей к наблюдателю точки, тот увидит возникший вдруг объект, разделяющийся на две удаляющиеся в разные стороны части. (Илл. Wikimedia Commons.)

Другое неприятное следствие существование дýхов (если их не исключить из теорий модифицированной гравитации) — появление отрицательных вероятностей, впервые упомянутых Полем Дираком в 1942 году в работе «Физическая интерпретация квантовой механики». Нет нужды подробно останавливаться на дестабилизирующем влиянии такой концепции на квантовую механику. Да и за её пределами будет не всегда просто ответить на вопрос, что такое вероятность в –10%.

В своих работах Седрик Деффайе изучает механизм разрешения этой проблемы. Для этого он анализирует различные нелинейные теории массивной гравитации, предполагающие сложную зависимость закона тяготения от пространственного масштаба, на котором он действует, и гарантирующие отсутствие тахионных и дýховых нестабильностей.

Проблемой таких теорий, как и почти всех современных модификаций общей теории относительности, является то, что они должны быть подстроены под экспериментальные данные при помощи внешних параметров. В то же время в современной космологии такая процедура грубой подстройки руками параметров теории считается контрпродуктивным направлением, по сути не отличающимся от внедрения той же космологической константы.

Наилучшей теорией модифицированной гравитации были бы какие-то естественные механизмы, которые приводили бы к известному чрезмерно малому значению космологической постоянной без внедрения новых сторонних параметров. Поиск таких механизмов активно ведётся.

Подготовлено по материалам ФИАН-информ.