Фізики пов’язали розширення Всесвіту з квантовою топологією, вважаючи, що приховані структури можуть стабілізувати космологічну постійну раніше невідомим способом.
Космологічна постійна — це термін, що описує енергію, яка змушує Всесвіт розширюватися все швидше з часом. Це одна з найбільших таємниць у фізиці. Вимірювання свідчать, що така енергія існує, проте її величина є надзвичайно маленькою. Квантова теорія поля, що пояснює елементарні частинки та сили взаємодії, передбачає, що порожній простір має містити величезну кількість енергії. Але якщо це так, Всесвіт мав би розірватися на частини майже миттєво. Втім, він розширюється набагато спокійніше, що дозволяє формуватися галактикам, зіркам та планетам. Цей розрив між теорією та спостереженням часто називають одним із найбільших провалів у фізиці. Автори нового дослідження пропонують нове пояснення цій невідповідності.
Помилка Ейнштейна
Космологічна постійна вперше з’явилася в рівняннях загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, де він вводив її для опису стабільного та статичного Всесвіту. Ця постійна виконувала роль відштовхувальної сили у вакуумі, яка протидіяла силі гравітації і запобігала колапсу Всесвіту.
Однак у 1929 році астроном Едвін Габбл довів, що Всесвіт розширюється, в результаті чого Ейнштейн видалив космологічну постійну зі своїх рівнянь.
У 1998 році вчені підтвердили, що розширення Всесвіту не відбувається з постійною швидкістю, а прискорюється. Це відкриття зробило космологічну постійну необхідною для опису збільшення швидкості розширення космосу.
Помилкове передбачення квантової теорії
Коли фізики не використовували космологічну постійну, квантова теорія поле стала основою Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Вона стверджує, що вакуум далекий від порожнечі — він складається з елементарних частинок, що постійно з’являються і зникають. Ця активність мала б призвести до того, що енергія вакуума була б практично нескінченна. Проте спостережуване значення виявляється не нескінченним. Нескінченне значення могло б призвести до того, що Всесвіт розширювався б занадто швидко для формування галактик, зірок і планет.
Експерименти підтвердили, що квантова теорія поля є однією з найточніших теорій у фізиці, тому її невідповідність щодо космологічної сталої залишається великою загадкою.
Розв’язання однієї з найбільших загадок фізики
У своєму дослідженні фізики використовували теорію Черна-Саймонса-Кодами, що є передбачуваним станом квантової гравітації. Вчені ще не дійшли єдиної думки, як саме працює гравітація на субатомному рівні.
Дослідники виявили, що математичні принципи моделі квантової гравітації точно відповідають рівнянням, використовуваним для опису квантового ефекту Холла — незвичайного стану матерії, в якому електричний струм поводиться з вражаючою точністю.
У квантовому ефекті Холла електрична провідність залишається сталою, навіть за присутності дефектів у матеріалі. Ця стабільність зумовлена топологією квантового стану. Дослідники виявили аналогічну топологічну особливість у стані Черна-Саймонса-Кодами.
Фізики стверджують, що “якщо простір-час має незвичайну топологію, це вирішує одну з найсерйозніших проблем космологічної постійної. Усі квантові збурення, які могли б різко збільшити значення космологічної сталої, стають інертними завдяки цій топології, що підтримує стабільне значення сталої”.
На думку авторів, попереду ще багато роботи, щоб повністю розробити топологічне рішення цієї проблеми.
