В новом исследовании ученые Университета Британской Колумбии предположили, что Вселенная расширяется из-за флуктуаций пространства и времени. На текущий момент вокруг загадочной темной энергии сгрудилось много перепутанных теорий. Новое исследование может привести к лучшему пониманию темной энергии. С конца 1920-х годов астрономы знали о том, что Вселенная находится в состоянии расширения. Первоначально предсказанная общей теорией относительности Эйнштейна, эта парадигма привела к самой широкой принятой космологической модели — теории Большого Взрыва. Однако в 90-х годах ситуация стала несколько запутанной, поскольку новейшие наблюдения показали, что Вселенная расширяется с постоянно нарастающей скоростью.

Все это привело к появлению теории темной энергии, невидимой загадочной силы, которая подталкивает расширение космоса. Подобно темной материи, которой объясняют «недостающую массу», темная энергия стала святым Граалем ученых, которые пытались объяснить ее, найти или хотя бы создать адекватный теоретический фреймворк для нее. Новое исследование Университета Британской Колумбии говорит о том, что расширение Вселенной может быть связано с флуктуациями в пространстве и времени.

Это исследование, недавно опубликованное в журнале Physical Review D, было проведено под руководством Цинди Вонгом, аспирантом кафедры физики и астрономии в UBC. Под руководством профессора Уильяма Унру (того самого, который предложил эффект Унру) и при помощи Чжэнь Чжу (другого аспиранта UBC), они бросили на темную энергию новый взгляд.

Команда начала с рассмотрения несоответствий, возникающих из двух основных теорий, которые вместе объясняют все явления природы во Вселенной. Эти теории — не что иное, как общая теория относительности и квантовая механика — объясняют, как Вселенная ведет себя на самых больших масштабах (звезды, галактики, кластеры) и наименьших (субатомные частицы).

К сожалению, две этих теории несовместимы, когда дело доходит до небольшого вопросика, известного как гравитация. Ученые до сих пор пытаются объяснить ее с точки зрения квантовой механики. Существование темной энергии и расширение Вселенной — еще одна точка разногласий. Во-первых, кандидатские теории вроде энергии вакуума, которые являют собой самые популярные объяснения темной энергии, имеют серьезные несоответствия.

Согласно квантовой механике, энергия вакуума должна иметь невероятно большую плотность энергии. Но если это так, то из общей теории относительности вытекает, что эта энергия должна иметь невероятно сильный гравитационный эффект, которого было бы достаточно, чтобы Вселенная взорвалась в размерах.

«Проблема в том, — считает профессор Унру, — что любой наивный расчет энергии вакуума выдает огромные значения. Если предположить, что есть какое-нибудь ограничение, чтобы плотность энергии не превышала намного планковскую плотность энергии (около 1095 Дж/м3), тогда можно определить постоянную Хаббла — временной промежуток, на котором Вселенная примерно удваивается в размерах — как 10-44 секунды. Получается, типичный подход состоит в том, чтобы предположить некоторое снижение этой величины, чтобы реальный темп расширения составил 10 миллиардов лет. Но это «некоторое» довольно загадочное, и никто не предложил даже наполовину убедительный механизм».

В то время как другие ученые пытались модифицировать общую теорию относительности и квантовую механику, чтобы разрешить эти несоответствия, Вонг и его коллеги искали другой путь.

«Предыдущие исследование либо пытались модифицировать квантовую механику, чтобы сделать энергию вакуума меньше, либо модифицировать ОТО, чтобы гравитация уравновешивала энергию вакуума. Но квантовая механика и ОТО — это две самых успешных теории, описывающих работу Вселенной. Вместо того чтобы пытаться модифицировать квантовую механику или ОТО, мы считаем, что сперва нужно лучше их понять. Мы серьезно относимся к большой плотности энергии вакуума, предсказанной квантовой механикой, и просто вносим ее в ОТО, не модифицируя ничего».

В рамках своего исследования Вонг и его коллеги произвели новые расчеты энергии вакуума, учитывающие высокую предсказанную плотность энергии. Затем рассмотрели возможность того, что на самых маленьких масштабах — в миллиарды раз меньше электронов — ткань пространства-времени подвержена диким флуктуациям, осциллирующим в каждой точке между расширением и сжатием.

По мере раскачивания назад и вперед, эти колебания приводят к тому, что Вселенная расширяется медленно, но с нарастающей скоростью. После выполнения своих расчетов они отметили, что это объяснение согласуется как с наличием квантовой вакуумной плотности энергии, так и с ОТО. Кроме того, все это согласуется с тем, что ученые наблюдают уже почти век.

«Наши расчеты показали, что Вселенная на самых крошечных масштабах действительно расширяется и сжимается с абсурдно большой скоростью. Но в широких масштабах из-за усреднения мелких масштабов, физики не замечают этой «квантовой пены». Она обладает небольшим остаточным эффектом в создании космологической постоянной (эффекта темной энергии). В некотором роде это похоже на волны в океане, которые движутся так, будто океан идеально гладкий, но на деле мы знаем, что под этой мнимой простотой прячется бешеный танец атомов, составляющих воду, и волны усредняют эти флуктуации, поэтому поверхность гладкая».

В отличие от противоречивых теорий Вселенной, в которой различные силы, управляющие ею, не могут жить в мире и должны отменять одна другую, в картине Вонга и его коллег Вселенная постоянно движется. Эффекты энергии вакуума взаимоисключаются, при этом приводя к расширению и ускорению, которые мы наблюдаем все это время.

Хотя слишком рано говорить что-то определенное, этот образ высокодинамичной Вселенной (даже в мельчайших масштабах) может перевернуть наше понимание пространства-времени. По крайней мере эти теоретические выводы обязательно стимулируют дебаты в научном сообществе, а также эксперименты, которые должны будут предложить прямые доказательства. И это, насколько мы знаем, единственный способ понять Вселенную, шаг за шагом.