Във физиката има един фундаментален проблем. Числото, наречено космологична константа, съединява микроскопичния свят на квантовата механика с макроскопичния свят на теорията на относителността на Айнщайн. Но нито една теория не може да даде точното значение на тази константа, което да може да се съгласува с експериментите.
Всъщност има толкова голямо разминаване между наблюдаваното значение на тази константа с това, което предсказва теорията, че учените считат този проблем за най-голямото несъответствие в историята на физиката. Може да се каже, че решението на този проблем е най-важната цел на теоретичната физика на това столетие.
Лукас Ломбрайзър, доцент от катедрата по теоретична физика на Женевския университет в Швейцария, представи нов метод за допълване на уравненията за гравитацията на Алберт Айнщайн, чрез който може да се намери такова значение на космологичната константа, което максимално близко съответства на наблюдаваното значение. Той публикува своя метод в списанието Physics Letters B.
Как най-голямата грешка на Айнщайн стана тъмната материя
Историята на космологичната константа започва преди повече от един век, когато Айнщайн представя система от уравнения, днес известни като полевите уравнения на Айнщайн, които са в основата на неговата Обща теория на относителността. Тези уравнения обясняват по какъв начин материята и енергията деформират тъканта на пространството и времето, създавайки гравитационна сила. В тези времена и Айнщайн, и астрономите са били на едно и също мнение, че Вселената е с фиксиран размер и че пространството между галактиките е, и си остава статично.
Но когато Айнщайн се опитва да приложи Общата теория на относителността (ОТО) към Вселената като цяло, теорията предсказва нестабилна Вселена, която трябва или да се разширява или да се свива. И за да има някакво съвпадение между теорията и експериментите и да направи така, че Вселената да изглежда статична, Айнщайн измисля космологичната константа.
Десет години по-късно друг физик – Едуин Хъбъл открива, че нашата Вселена все пак не е статична, а се разширява. Червеното изместване в спектрите на светлината от далечните галактики показва, че те всичките се отдалечават. Това откритие убеждава Айнщайн да се откаже от космологичната константа в своите уравнения на полето, понеже станало ясно, че не е необходимо да се „сдържа“ разширяващата се Вселена. По-късно в своите научни трудове Айнщайн признава, че въвеждането на космологичната константа в неговите полеви уравнения е неговата най-голяма грешка.
През 1998 година наблюденията на далечните свръхнови показва, че Вселената не само че се разширява, но и че разширението се ускорява. Галактиките се отдалечават една от друга с все по-голяма скорост, сякаш някаква невидима сила преодолява гравитацията и ги раздалечава. Учените счетоха, че това става благодарение на хипотетичната тъмна енергия, като нейната истинска природа и до днес е неизвестна.
По ирония на съдбата физиците отново въведоха космологичната постоянна в полевите уравнения на Айнщайн заради тъмната енергия. В съвременния стандартен космологичен модел, известен като ΛCDM (Lambda-CDM model) или Ламбда-CDM модела, космологичната константа е взаимозаменяема с тъмната енергия. Астрономите дори успяха приблизително да оценят нейното значение на базата на новите наблюдения на далечните свърхнови и чрез флуктуациите на космическия микровълнов фон. Въпреки че тази величина е абсурдно малка – около 10-52 на квадратен метър, в мащабите на Вселената тя е достатъчно значителна, за да обясни ускореното разширение на пространството.
„Космологичната константа (или тъмната енергия) включва около 70% от цялата енергия в нашата Вселена. Това получаваме от наблюдаваното ускорено разширение на нашата Вселена. Но тази константа не е разгадана изцяло“ – каза Ломбрайзър. „Всички опити да я обясним са неудачни и ни се струва, че изпускаме нещо фундаментално в нашето разбиране за космоса. Решаването на тази главоблъсканица е едно от основните направления в изследванията на съвременната физика. Учените предполагат, че решаването на този въпрос ще ни доведе до по-фундаментално разбиране на цялата физика“.
Най-лошото теоретично предсказване в историята на физиката
Днес се счита, че технологичната константа е това, което физиците наричат „енергията на вакуума“. Квантовата теория на полето твърди, че дори в абсолютно чистия вакуум на пространството непрекъснато протича процес на появата и изчезването на различни виртуални частици, като този процес създава енергия. Това изглежда като една съвсем абсурдна идея, но тази енергия бе открита експериментално. Само че възниква проблем, когато физиците се опитват да изчислят нейното участие в космологичната константа. Полученият резултат се различава от наблюдавания със зашеметяващите 10121 пъти, което е най-голямото несъответствие между теорията и експеримента във всички области на физиката. Или с други думи, резултатът е твърде съмнителен.
Това несъответствие накара редица видни физици да се усъмнят в уравненията за гравитацията на Айнщайн, като някои от тях дори предложиха алтернативни модели на гравитацията. Но през последните няколко години благодарение на лазерната интерферометрична гравитационна вълнова обсерватория (LIGO) многократно бяха регистрирани гравитационни вълни, които затвърдиха и укрепиха Общата теория на относителността и отхвърлиха тези алтернативни модели. Ето защо, вместо да преосмисля теорията на гравитацията, Ломбрайзър използва друг подход за решаването на тази космическа главоблъсканица.
„Механизмът, който аз предлагам, не модифицира полевите уравнения на Айнщайн“ – каза Ломбрайзър. Вместо това той добавя допълнително уравнение към полевите уравнения на Айнщайн.
Гравитационната константа, която за първи път бе използвана в законите на гравитацията на Нютон, е съществена част от полевите уравнения на Айнщайн и описва величината на гравитационното взаимодействие между обектите. Тя се счита за една от фундаменталните константи във физиката, вечно неизменна още от началото на съществуването на Вселената. Ломбрайзър направи едно твърде неочаквано предложение – той допуска, че тази константа може да се променя.
В модификацията на ОТО, извършена от Ломбрайзър, гравитационната константа си остава неизменна в пределите на на наблюдаваната от нас Вселена, но може да се променя извън нейните предели. Ломбрайзър предлага сценарий на Мултивселена, в която може да има участъци от Вселената, невидими за нас, в които значенията на фундаменталните константи е по-различно.
Тази промяна в теорията на относителността дава на Ломбрайзър допълнително уравнение, което свързва космологичната константа със средното количество вещество в нашето пространство/време. След като сумирал масата на всички галактики, звезди и тъмна материя във Вселената, той успял да реши новото уравнение. Получила се космологична константа, която добре съответства на наблюденията с космическите телескопи.
Използвайки новия параметър ΩΛ (омега ламбда), който показва дела на Вселената, състояща се от тъмна субстанция, той получил, че нашата Вселена се състои от около 74% тъмна енергия. Това число доста добре съответства на практиката – при наблюденията на космическите обекти този процент е изчислен на 68,3%. Това е огромно подобрение в сравнение с гигантското несъответствие, следствие от квантовата теория на полето.
Въпреки че параметърът на Ломбрайзър решава проблема с космологичната константа, към днешен ден няма способ той да бъде проверен. Но в близкото бъдеще, когато експериментите от другите теории потвърдят новото уравнение, то това ще бъде огромен скок в нашето разбиране за тъмната материя и ще способства за създаването на инструмент за решаването на други космически загадки и тайни.
Статията в изданието Space предизвика много коментари. Очертава се мнение, че за да не рухне теорията е необходимо да и се даде подпора. След това още. И още. С нарастването на нашите знания за света, тези опори стават все повече и постепенно опорите трябва да бъдат подпирани с нови опори, като накрая всичко става непонятно.
Отговорът е, че почти винаги става така. След като стане ясно, че старата теория не съответства на реалния свят, то тя има нужда от поддръжка (ефирът в миналото). Когато несъответствията станат прекалено много, веднага се появява нова теория, а старата остава да действа в ограничени условия. Законите на Нютон са валидни при ниски скорости. При по-големи мащаби вече имаме Айнщайн. И с новата теория може да стане същото – ясно е, че теорията на относителността е вярна, но в някои гранични условия се налага подпора. Така че явно е време за нова теория, което да реши описаните дотук проблеми и да ограничи рамките на използване на Общата теория на относителността на Айнщайн.
