Физики из России поняли, как вычислить плотность темной энергии

Новый подход к вычислению плотности темной энергии предложили физики Балтийского федерального университета им. И. Канта. Полученные результаты, вероятно, помогут объяснить некоторые аномалии этого феномена и лучше понять, почему Вселенная расширяется с ускорением.

Современная космология с начала прошлого века пережила несколько фундаментальных переворотов. Альберт Эйнштейн и ряд других физиков-теоретиков исходили из того, что Вселенная стационарна и вечна, однако уже в 1920-х Эдвин Хаббл продемонстрировал ее расширение, а в 1998 году было обнаружено, что она расширяется с ускорением.

Есть два основных способа объяснить это ускорение. Первый – предположить, что вся Вселенная заполнена особой субстанцией, так называемой «темной энергией». Ее можно описать как идеальную жидкость с отрицательным давлением, на которую приходится около 70% всего, что содержится во Вселенной. Второй подход, иногда называемый «модифицированной гравитацией», предполагает, что уравнения динамики Вселенной, предложенные Эйнштейном, необходимо дополнить.

Физики БФУ, работая в рамках первого подхода, предложили новый метод вычисления темной энергии с использованием так называемого голографического принципа. Этот принцип тесно связан с удивительным объектом – космологическим горизонтом событий.«‎Согласно голографическому принципу, или так называемому ограничению Бекенштейна, максимум информации, которую можно поместить в некоторой области пространства, определяется не ее объемом, а площадью поверхности, в которую этот объем заключен. В частности, космологический горизонт можно условно представить как сферический экран, пиксели на котором имеют минимальную возможную площадь – планковскую длину в квадрате», – рассказал директор Института физико-математических наук и информационных технологий БФУ имени И. Канта, профессор Артем Юров.

Планковская длина – минимальное физически возможное расстояние во Вселенной, так как при большем сжатии материя превращается в черную дыру. Значит, внутри космологического горизонта может поместиться конечный объем информации. По словам ученых, если представить всю информацию в виде цепочек нулей и единиц, то максимум информации, в принципе способной содержаться во Вселенной, будет равен площади горизонта в единицах планковской площади – по биту на одну «‎планковскую площадку».
Эйнштейн, предложивший базовые для космологии уравнения гравитации, не смог найти решение для случая со стационарной Вселенной и в итоге был вынужден добавить еще одно слагаемое, позднее названное лямбда-членом или космологической постоянной. После открытия ускоренного расширения Вселенной оказалось, что «виновная» в ускорении темная энергия вполне может быть принята за лямбда-член.

Затем, однако, физики столкнулись с парадоксом: значение лямбда-члена, получаемое путем расчета энергии гравитирующего вакуума в рамках квантовой теории поля, расходилось со значением, выводимым из данных астрономических наблюдений, примерно на сто порядков, то есть в гугол раз. Как отметили ученые БФУ, это, вероятно, самое большое в истории расхождение данных теории и эксперимента.

По словам ученых, такие кризисные ситуации в исследованиях указывают на возможность построения теории с огромным объяснительным потенциалом. Сегодня поиск путей к более точному определению значения лямбда-члена – одна из центральных проблем космологии и физики вообще.

«Космологическое уравнение Эйнштейна можно записать в виде задачи на собственные значения, причем их роль будет играть лямбда-член, что было показано российским физиком Сергеем Червоном. Для решения подобной задачи надо использовать так называемые граничные условия. Наша ключевая идея в том, что граничные условия должны быть связаны с голографическим принципом: число бит, содержащихся во Вселенной, равно максимальному значению, допускаемому этим принципом. Это делает задачу по окончательному вычислению лямбда-члена существенно более простой и конкретной, причем мы сделали это для произвольного числа пространственных измерений», – объяснил Юров.

Специалисты университета продолжают работать над развитием и обобщением нового метода. Предложенный подход станет заметным шагом на пути к будущему синтезу голографического принципа и космологии, надеются ученые.
Физические проблемы, связанные с изучением темной энергии и расширением Вселенной, специалисты БФУ имени И. Канта освещают в рамках магистерской программы «‎Темная материя и темная энергия».

Исследование опубликовано в журнале Symmetry.

• #Космос