Новый подход к вычислению плотности темной энергии предложили физики Балтийского федерального университета им. И. Канта. По словам авторов, полученные результаты, вероятно, помогут объяснить некоторые аномалии этого феномена и лучше понять, почему Вселенная расширяется с ускорением. Исследование опубликовано в журнале Symmetry.
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.
Это название было дано особой границе, которую не может пересечь даже свет: если Вселенная расширяется с ускорением, то приблизительно на расстоянии 1028 сантиметров (около 13 миллиардов световых лет) от нас ускорение становится настолько большим, что пространство растягивается быстрее скорости света. Как объяснили ученые, такой горизонт выступает не только "занавесом" для нас – также он содержит на себе всю информацию из внутренней области.
"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.
По информации https://ria.ru/20210708/bfu-1740271244.html
Обозрение "Terra & Comp".
искусственным интеллектом
