Физики из Университета Брауна предложили решение одной из главных загадок современной науки – проблемы космологической постоянной. Эта величина описывает энергию, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением, и лежит в основе фундаментального противоречия между двумя успешными физическими теориями. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Квантовая теория поля предсказывает, что вакуум наполнен колоссальной энергией из-за постоянно возникающих и исчезающих частиц. Эта энергия должна делать космологическую постоянную чрезвычайно большой. Однако астрономические наблюдения показывают, что её реальное значение ничтожно мало. Если бы расчёты квантовой теории были верны, Вселенная расширилась бы так стремительно, что в ней не смогли бы сформироваться галактики, звёзды и планеты.
Американские исследователи предположили, что огромное расхождение между теорией и наблюдениями можно объяснить топологией – фундаментальными свойствами геометрии самого пространства-времени. Учёные обнаружили неожиданную математическую связь между одним из подходов к квантовой гравитации, известным как состояние Черна–Саймонса–Кодамы, и квантовым эффектом Холла – явлением из физики конденсированного состояния.
При квантовом эффекте Холла электропроводность в определённых материалах принимает строго фиксированные значения, которые не меняются даже при наличии дефектов. Эту стабильность обеспечивает именно топология квантового состояния электронов. Авторы новой работы утверждают, что аналогичный механизм действует и в космологии: сложная топология пространства-времени «фиксирует» значение космологической постоянной, защищая её от воздействия квантовых флуктуаций.
«Мы показали, что если пространство-время обладает такой нетривиальной топологией, это решает одну из острейших проблем космологической постоянной, – пояснил соавтор исследования, профессор Стефон Александер. – Все квантовые возмущения, которые должны были бы раздуть её значение, нейтрализуются этой топологией, и постоянная остаётся стабильной».
Космологическую постоянную ввёл в свои уравнения Альберт Эйнштейн, чтобы описать статичную Вселенную. Позже, когда выяснилось, что Вселенная расширяется, он назвал эту идею своей «величайшей ошибкой». Однако в 1998 году астрономы открыли, что расширение ускоряется, и постоянная вновь стала необходима для объяснения этого феномена. Учёные подчёркивают, что их работа – это важный теоретический шаг, который требует дальнейшего развития, но он открывает новое направление в поисках полноценной теории квантовой гравитации.
