Физики вернули тёмную энергию в теорию струн

Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов. Новое исследование показывает, что, "запрещая" тёмную энергию таким образом, придётся "запретить" и бозон Хиггса, существование которого уже доказано экспериментально.

Такие выводы сделаны в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review D группой во главе с Тиммом Вразе (Timm Wrase) из Венского технического университета.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое тёмная энергия. Напомним вкратце, что эта субстанция обеспечивает ускоренное расширение Вселенной, которое надёжно фиксируется астрономами. Согласно господствующим космологическим теориям, количество тёмной энергии не меняется со временем.

"Долгое время мы думали, что такая тёмная энергия может быть хорошо описана в рамках теории струн", – говорит Вразе.

О теории струн и о том, почему она так интересна физикам, мы тоже писали. В двух словах напомним, что это наиболее известная попытка осуществить вековую мечту теоретиков: объединить общую теорию относительности и квантовую механику. На данный момент теория струн находится в стадии разработки. Ей ещё предстоит принять законченный вид и пройти проверку на соответствие наблюдаемым фактам. К слову, такое тестирование в данном случае – весьма нетривиальная задача. Прямой эксперимент потребовал бы больше энергии, чем имеется в распоряжении всего человечества. Поэтому физики уделяют самое пристальное внимание тем выводам теории, которые можно проверить астрономическими наблюдениями.

Классический вариант тёмной энергии описывается в теории струн как поле, которое имеет минимальную возможную энергию, которая тем не менее больше нуля. Можно сравнить такое поле с горошиной на дне чашки, стоящей на столе. На дне горошина имеет минимальную потенциальную энергию, поэтому никуда не катится. Но этот минимум больше нуля, поскольку чашка стоит на столе, который значительно выше пола.

Однако в июне 2018 года группа во главе с всемирно известным физиком-теоретиком Камраном Вафой опубликовала препринт статьи, в которой высказывалась определённая гипотеза об устройстве полей в теории струн. Эта гипотеза представлялась хорошо обоснованной и отвечающей на многие вопросы. Однако из неё следовало, что поля типа "чашки на столе" теорией не допускаются.

Если гипотеза Вафы и коллег верна, то количество тёмной энергии во Вселенной не может оставаться постоянным. Это уже не горошина, спокойно лежащая на дне, а шар, катящийся вниз по наклонной плоскости. Его потенциальная энергия со временем убывает. Подобно этому, и тёмной энергии должно становиться всё меньше. Из-за этого в какой-то момент расширение Вселенной могло бы не только перестать ускоряться, но и вообще остановиться и даже смениться сжатием.

Строго говоря, астрономы пока не готовы поклясться на Астрономическом ежегоднике, что такой вывод противоречит наблюдениям. Однако он явно вступает в конфликт с господствующими космологическими теориями, основанными на неизменном количестве тёмной энергии. В связи с этим специалистам было важно понять, насколько можно доверять такой гипотезе. И, похоже, у группы Вразе есть ответ.

"Гипотеза Камрана Вафы, которая "запрещает" определённые типы полей, также "запрещает" вещи, о которых мы уже знаем, что они существуют", – объясняет Вразе.

Речь идёт о знаменитом бозоне Хиггса, за открытие которого в 2013 году присудили Нобелевскую премию по физике. Его реальность подтверждается всё новыми экспериментами. Однако, согласно расчётам авторов нового исследования, гипотеза Вафы не совместима с фактом существования такой частицы.

Однако это не значит, что на перспективном предположении нужно просто поставить крест и забыть о нём.

"Это противоречие – полезная для теории струн штука, – убеждён Вразе. – Внезапно у многих людей появились совершенно новые идеи, о которых никто никогда не думал".

Теперь авторы теоретически исследуют, какие типы полей допускаются теорией струн и в каком именно пункте нарушается гипотеза Вафы.

"Возможно, это приведёт нас к захватывающим новым представлениям о природе тёмной энергии. Это было бы большим успехом", – резюмирует Вразе.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" писали о других астрономических наблюдениях, касающихся теории струн. Например, мы говорили о способе её проверки с помощью гравитационных волн и о загадочном объекте в центре Галактики, который может оказаться огромной струной. Если эта теория сделает новые выводы о тёмной энергии, их тоже можно будет проверить. Специалисты изобретают всё новые способы измерить количество тёмной энергии во Вселенной, а готовящиеся к запуску инструменты помогут сделать это с беспрецедентной точностью.