Грешката на Айнщайн: скритата форма на Вселената може да разреши една от най-големите мистерии във физиката

Космологичната константа е термин, използван за описание на енергията, която кара Вселената да се разширява по-бързо с течение на времето. Но тя остава една от най-големите неразгадани мистерии във физиката. Измерванията показват, че тази енергия съществува, но нейната величина е удивително малка. Квантовата теория на полето, която обяснява елементарните частици и силите на взаимодействие, предсказва, че празното пространство би трябвало да съдържа огромно количество енергия. Но ако това беше вярно, Вселената щеше да се разкъса почти мигновено. Вместо това Вселената се разширява много по-спокойно, позволявайки на галактики, звезди и планети да се образуват. Тази разлика между теорията и наблюденията често се описва като едно от най-лошите предсказания във физиката. Авторите на ново проучване са предложили ново обяснение за това несъответствие.

Грешката на Айнщайн

Космологичната константа се появява за първи път като термин в уравненията, описващи теорията на Айнщайн за пространството, времето и гравитацията, известна като обща теория на относителността. Айнщайн е принуден да въведе космологичната константа, за да обясни една стабилна и статична вселена. Тази константа представлява отблъскваща сила, присъстваща във вакуума на пространството, противодействаща на силата на гравитацията и предотвратяваща колапса на Вселената.

Но през 1929 г. астрономът Едуин Хъбъл открива, че Вселената не е толкова стабилна или статична, колкото Айнщайн е предполагал. Оказва се, че Вселената се разширява. След това откритие Айнщайн премахва космологичната константа от своите уравнения.

След това, през 1998 г., учените откриват, че разширяването на Вселената не се случва с постоянна скорост, а по-скоро се ускорява. Това откритие прави космологичната константа необходима, за да се опише нарастващата скорост на разширяване на Вселената.

Погрешно предсказание на квантовата теория

Когато физиците не използвали космологичната константа, за да опишат Вселената, квантовата теория на полето стана основа за Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Според квантовата теория на полето, празното пространство или вакуумът изобщо не е празно. То се състои от елементарни частици, които постоянно се появяват и изчезват. Цялата тази дейност би трябвало да доведе до това, че енергията на вакуума в пространството, описана от космологичната константа, е практически безкрайна. Наблюдаваната ѝ стойност, оценена от скоростта на разширяване на Космоса, обаче не е безкрайна. Безкрайна стойност би довела до твърде бързо разширяване на Вселената, за да се позволява образуването на галактики, звезди и планети.

Експериментите показват, че квантовата теория на полето е една от най-точните и успешни теории във физиката и затова нейното привидно погрешно предсказание за космологичната константа е голяма загадка.

Решаването на една от най-големите мистерии на физиката

За своето изследване физиците използвали теорията на Черн-Саймънс-Кодама, предложено състояние на квантовата гравитация. Физиците все още не са постигнали консенсус относно теорията за квантовата гравитация, която обяснява как гравитацията работи на субатомно ниво.

Учените са открили, че математическите основи на модела на квантовата гравитация съвпадат точно с уравненията, използвани за описание на квантовия ефект на Хол, който представлява необичайно състояние на материята, в което електрическият ток се държи с удивителна прецизност.

При квантовия ефект на Хол, електрическата проводимост остава постоянна, дори когато материалът съдържа дефекти. Тази стабилност се дължи на топологията или формата на квантовото състояние. Учените са открили подобна топологична особеност в състоянието на Черн-Саймънс-Кодама.

Точно както топологията на електронните състояния фиксира напрежението на Хол, така и топологията на пространство-времето фиксира космологичната константа, дори и при квантови флуктуации във вакуума на пространството, казват физиците.

„Показахме, че ако пространство-времето има необичайна топология, то решава един от най-сериозните проблеми с космологичната константа. Всички квантови смущения, които биха увеличили рязко стойността на космологичната константа, са инертни благодарение на тази топология, която поддържа стабилна стойност за константата“, казват физиците.

Според авторите на изследването, предстои още много работа, за да се разработи напълно топологично решение на проблема с космологичната константа.