Космологическая постоянная проблема
| За пределами стандартной модели |
|---|
 |
| Стандартная модель |
В космологии проблема космологической постоянной или вакуумная катастрофа — это существенное несоответствие между наблюдаемыми значениями энергии вакуума плотности (малым значением космологической постоянной ) и гораздо большим теоретическим значением нулевой энергии, предложенным квантовой теорией поля .
В зависимости от планковского ограничения энергии и других факторов вклад энергии квантового вакуума в эффективную космологическую константу, по расчетам, на 50–120 порядков превышает наблюдаемый: [1] [2] положение дел, описываемое физиками как «самое большое расхождение между теорией и экспериментом во всей науке» [1] и «худшее теоретическое предсказание в истории физики». [3]
История
[ редактировать ]Основная проблема вакуумной энергии, вызывающей гравитационный эффект, была выявлена еще в 1916 году Вальтером Нернстом . [4] [5] [6] Он предсказал, что значение должно быть либо нулевым, либо очень маленьким. В 1926 году Вильгельм Ленц пришел к выводу, что «если допустить волны самых коротких наблюдаемых длин волн λ ≈ 2 × 10 −11 см,... а если это излучение, пересчитанное в плотность материала ( u / c 2 ≈ 10 6 ), способствовало искривлению наблюдаемой Вселенной – можно было бы получить плотность энергии вакуума такой величины, что радиус наблюдаемой Вселенной не достиг бы даже Луны». [7] [6]
После развития квантовой теории поля в 1940-х годах первым, кто рассмотрел вклад квантовых флуктуаций в космологическую постоянную, был Яков Зельдович в 1960-х годах. [8] [9] В квантовой механике сам вакуум должен испытывать квантовые флуктуации. В общей теории относительности эти квантовые флуктуации представляют собой энергию, которая добавляется к космологической постоянной. Однако рассчитанная плотность энергии вакуума на много порядков превышает наблюдаемую космологическую постоянную. [10] Первоначальные оценки степени несоответствия достигали 120–122 порядков; [11] [12] однако современные исследования показывают, что с учетом лоренц-инвариантности степень рассогласования приближается к 60 порядкам. [12] [13]
С развитием инфляционной космологии в 1980-х годах проблема стала гораздо более важной: поскольку космическая инфляция обусловлена энергией вакуума, различия в моделировании энергии вакуума приводят к огромным различиям в результирующих космологиях. Если бы энергия вакуума была равна нулю, как когда-то считалось, то расширение Вселенной не ускорялось бы , как это наблюдается, согласно стандартной модели Λ-CDM . [14]
Зависимость от среза
[ редактировать ]Рассчитанная энергия вакуума представляет собой положительный, а не отрицательный вклад в космологическую постоянную, поскольку существующий вакуум имеет отрицательное квантово-механическое давление , тогда как в общей теории относительности гравитационный эффект отрицательного давления представляет собой своего рода отталкивание. (Давление здесь определяется как поток квантово-механического импульса через поверхность.) Грубо говоря, энергия вакуума вычисляется путем суммирования по всем известным квантово-механическим полям с учетом взаимодействий и самодействий между основными состояниями, а затем удаление всех взаимодействий ниже минимальной «граничной» длины волны, чтобы отразить, что существующие теории не работают и могут оказаться неприменимыми в пределах шкалы обрезания. Поскольку энергия зависит от того, как поля взаимодействуют в текущем состоянии вакуума, вклад энергии вакуума в ранней Вселенной был бы другим; например, энергия вакуума значительно отличалась бы до нарушения электрослабой симметрии во время кварковая эпоха . [12]
Перенормировка
[ редактировать ]Энергия вакуума в квантовой теории поля может быть установлена в любое значение путем перенормировки . Эта точка зрения рассматривает космологическую постоянную как просто еще одну фундаментальную физическую константу, не предсказанную и не объясненную теорией. [15] Такую константу перенормировки необходимо выбирать очень точно из-за расхождения между теорией и наблюдением на многие порядки, и многие теоретики считают эту специальную константу эквивалентной игнорированию проблемы. [1]
Ориентировочные значения
[ редактировать ]Плотность вакуумной энергии Вселенной по измерениям коллаборации Планк в 2015 году составляет ρ vac = 5,96 × 10. −27 кг/м 3 ≘ 5.3566 × 10 −10 Дж/м 3 = 3,35 ГэВ/м 3 [16] [примечание 1] или около 2,5 × 10 −47 ГэВ 4 в геометрических единицах .
Согласно одной оценке, сделанной Жеромом Мартином из Парижского института астрофизики в 2012 году, ожидаемая теоретическая шкала энергии вакуума составляет около 10. 8 ГэВ 4 , с разницей около 55 порядков. [12]
Предлагаемые решения
[ редактировать ]Некоторые предложения включают изменение гравитации, чтобы отклониться от общей теории относительности. Эти предложения сталкиваются с препятствием, заключающимся в том, что результаты наблюдений и экспериментов до сих пор имели тенденцию быть чрезвычайно согласующимися с общей теорией относительности и моделью ΛCDM и несовместимыми с предложенными до сих пор модификациями. Кроме того, некоторые из предложений, возможно, являются неполными, поскольку они решают проблему «новой» космологической постоянной, предполагая, что фактическая космологическая постоянная равна именно нулю, а не крошечному числу, но не могут решить проблему «старой» космологической постоянной: почему квантовые флуктуации, по-видимому, вообще не способны производить существенную вакуумную энергию. Тем не менее, многие физики утверждают, что отчасти из-за отсутствия лучших альтернатив предложения по изменению гравитации следует считать «одним из наиболее многообещающих путей решения» проблемы космологической постоянной. [17]
Билл Унру и его коллеги утверждали, что, когда плотность энергии квантового вакуума более точно моделируется как флуктуирующее квантовое поле, проблема космологической постоянной не возникает. [18] Идя в другом направлении, Джордж Ф.Р. Эллис и другие предположили, что в унимодулярной гравитации неприятные вклады просто не тяготеют. [19] [20] Недавно был предложен полностью инвариантный к диффеоморфизму принцип действия, который дает уравнения движения для бесследовой гравитации Эйнштейна, где космологическая постоянная выступает в качестве константы интегрирования. [21]
Другой аргумент, выдвинутый Стэнли Бродским и Робертом Шроком, заключается в том, что при квантовании светового фронта вакуум квантовой теории поля становится по существу тривиальным. отсутствует В отсутствие вакуумных математических ожиданий вклад квантовой электродинамики , слабых взаимодействий и квантовой хромодинамики в космологическую константу . Таким образом, предсказано, что оно будет равно нулю в плоском пространстве-времени . [22] [23] С точки зрения квантования светового фронта , происхождение проблемы космологической постоянной восходит к нефизическим некаузальным условиям в стандартных вычислениях, которые приводят к ошибочно большому значению космологической постоянной. [24]
В 2018 году был предложен механизм отмены Λ за счет использования потенциала нарушения симметрии в лагранжевом формализме, в котором материя демонстрирует неисчезающее давление. Модель предполагает, что стандартная материя создает давление, которое уравновешивает действие космологической постоянной. Луонго и Муччино показали, что этот механизм позволяет использовать энергию вакуума, как предсказывает квантовая теория поля , но удаляя огромную величину за счет уравновешивающего члена, связанного только с барионами и холодной темной материей . [25]
В 1999 году Эндрю Коэн , Дэвид Б. Каплан и Энн Нельсон предположили, что корреляций между ограничениями УФ- и ИК-излучения в эффективной квантовой теории поля достаточно, чтобы уменьшить теоретическую космологическую постоянную до измеренной космологической постоянной из-за закона Коэна-Каплана-Нельсона ( CKN) связан. [26] В 2021 году Никита Блинов и Патрик Дрейпер подтвердили с помощью голографического принципа , что граница CKN предсказывает измеренную космологическую постоянную, сохраняя при этом предсказания эффективной теории поля в менее экстремальных условиях. [27]
Некоторые предлагают антропное решение, [28] и утверждаем, что мы живем в одной области огромной мультивселенной , в которой есть разные области с разными энергиями вакуума. Эти антропные аргументы утверждают, что только области небольшой вакуумной энергии, подобные той, в которой мы живем, в разумных пределах способны поддерживать разумную жизнь. Такие аргументы существовали в той или иной форме, по крайней мере, с 1981 года. Примерно в 1987 году Стивен Вайнберг подсчитал, что максимально допустимая энергия вакуума для формирования гравитационно-связанных структур проблематично велика, даже с учетом данных наблюдений, доступных в 1987 году, и пришел к выводу, что антропное объяснение появляется. потерпеть неудачу; однако более поздние оценки Вайнберга и других, основанные на других соображениях, показывают, что граница ближе к фактическому наблюдаемому уровню темной энергии. [29] [30] Антропные аргументы постепенно завоевали доверие среди многих физиков после открытия темной энергии и развития теоретической теории струн , но до сих пор высмеиваются значительной скептически настроенной частью научного сообщества как проблематичные для проверки. Сторонники антропных решений сами разделились по множеству технических вопросов, касающихся того, как вычислить долю областей Вселенной с различными константами темной энергии. [29] [17]
См. также
[ редактировать ]- Список нерешенных задач по физике
- Ультрафиолетовая катастрофа - предсказание классической физики о том, что излучение черного тела неограниченно растет с частотой.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Рассчитано на основе постоянной Хаббла и темной энергии параметра плотности Ω Λ .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Адлер, Рональд Дж.; Кейси, Брендан; Джейкоб, Овидий К. (1995). «Вакуумная катастрофа: элементарное изложение проблемы космологической постоянной» . Американский журнал физики . 63 (7): 620–626. Бибкод : 1995AmJPh..63..620A . дои : 10.1119/1.17850 . ISSN 0002-9505 .
- ^ Бенгочеа, Габриэль Р.; Леон, Габриэль; Окон, Элиас; Сударский, Даниэль (11 января 2020 г.). «Могут ли квантовые флуктуации вакуума действительно решить проблему космологической постоянной?» . Европейский физический журнал C . 80 (18): 18. arXiv : 1906.05406 . Бибкод : 2020EPJC...80...18B . doi : 10.1140/epjc/s10052-019-7554-1 . S2CID 189762342 . Проверено 21 октября 2022 г.
- ^ М. П. Хобсон, Г. П. Эфстатиу и А. Н. Ласенби (2006). Общая теория относительности: введение для физиков (переиздание). Издательство Кембриджского университета . п. 187. ИСБН 978-0-521-82951-9 .
- ^ В. Нернст (1916). «О попытке вернуться от квантово-теоретических соображений к предположению о непрерывном изменении энергии» . Переговоры Немецкого физического общества (на немецком языке). 18 :83–116.
- ^ Х. Краг (2011). «Прелюдии к темной энергии: энергия нулевой точки и спекуляции о вакууме». arXiv : 1111.4623 [ physical.hist-ph ].
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Х. Краг (2012). «Вальтер Нернст: дедушка темной энергии?» . Астрономия и геофизика . 53 (1): 1,24–1,26. Бибкод : 2012A&G....53a..24K . дои : 10.1111/j.1468-4004.2012.53124.x .
- ^ В. Ленц (1926). """" . Физический журнал (на немецком языке). 27 :642-645.
- ^ ЗельДович, Я. Б. (1967). «Космологическая постоянная и элементарные частицы» . Письма ЖЭТФ . 6 : 316–317.
- ^ Зельдович, Я. Б (31 марта 1968 г.). «Космологическая постоянная и теория элементарных частиц». Успехи советской физики . 11 (3): 381–393. дои : 10.1070/PU1968v011n03ABEH003927 .
- ^ Чо, Адриан (10 января 2017 г.). «Простое объяснение таинственной, растягивающей пространство «темной энергии»? ". Наука . дои : 10.1126/science.aal0603 .
- ^ Вайнберг, Стивен (1 января 1989 г.). «Проблема космологической постоянной» . Обзоры современной физики . 61 (1): 1–23. Бибкод : 1989РвМП...61....1Вт . дои : 10.1103/RevModPhys.61.1 . hdl : 2152/61094 . ISSN 0034-6861 . S2CID 122259372 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Мартин, Жером (июль 2012 г.). «Все, что вы всегда хотели знать о проблеме космологической постоянной (но боялись спросить)». Comptes Rendus Physique . 13 (6–7): 566–665. arXiv : 1205.3365 . Бибкод : 2012CRPhy..13..566M . дои : 10.1016/j.crhy.2012.04.008 . S2CID 119272967 .
- ^ Штрауманн, Норберт (2002). «История проблемы космологической постоянной». arXiv : gr-qc/0208027 .
- ^ Вайнберг, Стивен (1 января 1989 г.). «Проблема космологической постоянной». Обзоры современной физики . 61 (1): 1–23. Бибкод : 1989РвМП...61....1Вт . дои : 10.1103/revmodphys.61.1 . hdl : 2152/61094 . ISSN 0034-6861 . S2CID 122259372 .
- ^ Раг, ЮВ; Зинкернагель, Х. (2002). «Квантовый вакуум и проблема космологической постоянной» . Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 33 (4): 663–705. arXiv : hep-th/0012253 . Бибкод : 2002ШПМП..33..663Р . дои : 10.1016/S1355-2198(02)00033-3 . S2CID 9007190 .
- ^ Планк Сотрудничество; Аде, Пенсильвания; Аганим, Н.; Арно, М.; Эшдаун, М.; Омон, Дж.; Бачигалупи, К.; Бандей, Эй Джей; Баррейро, РБ; Бартлетт, Дж.Г.; Бартоло, Н.; Баттанер, Э.; Бэтти, Р.; Бенабед, К.; Бенуа, А. (2016). «Результаты Планка 2015: XIII. Космологические параметры» . Астрономия и астрофизика . 594 : А13. arXiv : 1502.01589 . Бибкод : 2016A&A...594A..13P . дои : 10.1051/0004-6361/201525830 . ISSN 0004-6361 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Булл, Филип; и др. (июнь 2016 г.). «За пределами ΛCDM: проблемы, решения и дальнейший путь». Физика Темной Вселенной . 12 : 56–99. arXiv : 1512.05356 . Бибкод : 2016PDU....12...56B . дои : 10.1016/j.dark.2016.02.001 . S2CID 118450389 .
- ^ Ван, Цинди; Чжу, Чжэнь; Унру, Уильям Г. (2017). «Как огромная энергия квантового вакуума приводит в движение медленно ускоряющееся расширение Вселенной». Физический обзор D . 95 (10): 103504. arXiv : 1703.00543 . Бибкод : 2017PhRvD..95j3504W . дои : 10.1103/PhysRevD.95.103504 . S2CID 119076077 .
- ^ Эллис, Джордж Ф.Р. (2014). «Бесследовые уравнения Эйнштейна и инфляция». Общая теория относительности и гравитация . 46 : 1619. arXiv : 1306.3021 . Бибкод : 2014GReGr..46.1619E . дои : 10.1007/s10714-013-1619-5 . S2CID 119000135 .
- ^ Перкаччи, Р. (2018). «Унимодулярная квантовая гравитация и космологическая постоянная». Основы физики . 48 (10): 1364–1379. arXiv : 1712.09903 . Бибкод : 2018FoPh...48.1364P . дои : 10.1007/s10701-018-0189-5 . S2CID 118934871 .
- ^ Монтесинос, Мерсед; Гонсалес, Диего (2023). «Принципы действия, инвариантные к диффеоморфизму, для бесследовой гравитации Эйнштейна». Физ. Преподобный Д. 108 (12): 124013. arXiv : 2312.03062 . дои : 10.1103/PhysRevD.108.124013 .
- ^ Бродский, Стэнли Дж.; Робертс, Крейг Д.; Шрок, Роберт; Тэнди, Питер С. (2010). «Новые взгляды на кварковый конденсат». Физический обзор C . 82 (2): 022201. arXiv : 1005.4610 . Бибкод : 2010PhRvC..82b2201B . дои : 10.1103/PhysRevC.82.022201 .
- ^ Бродский, Стэнли Дж.; Робертс, Крейг Д.; Шрок, Роберт; Тэнди, Питер С. (2012). «В камере содержится конденсат». Физический обзор C . 85 (6): 065202.arXiv : 1202.2376 . Бибкод : 2012PhRvC..85f5202B . дои : 10.1103/PhysRevC.85.065202 . S2CID 118373670 .
- ^ Бродский, Стэнли Дж.; Дёр, Александр; Робертс, Крейг Д. (2022). «Искусственные динамические эффекты в квантовой теории поля». Природа преп. Физ . 4 (7): 489. arXiv : 2202.06051 . дои : 10.1038/s42254-022-00453-3 .
- ^ Луонго, Орландо; Муччино, Марко (21 ноября 2018 г.). «Ускорение Вселенной с помощью пыли и давления». Физический обзор D . 98 (10): 2–3. arXiv : 1807.00180 . Бибкод : 2018PhRvD..98j3520L . дои : 10.1103/physrevd.98.103520 . ISSN 2470-0010 . S2CID 119346601 .
- ^ Коэн, Эндрю; Каплан, Дэвид Б.; Нельсон, Энн (21 июня 1999 г.). «Эффективная теория поля, черные дыры и космологическая постоянная». Письма о физических отзывах . 82 (25): 4971–4974. arXiv : hep-th/9803132 . Бибкод : 1999PhRvL..82.4971C . doi : 10.1103/PhysRevLett.82.4971 . S2CID 17203575 .
- ^ Никита Блинов; Патрик Дрейпер (7 июля 2021 г.). «Плотность состояний и граница CKN». arXiv : 2107.03530 [ hep-ph ].
- ^ Тотани, Томонори; Омия, Хидетоши; Судо, Такахиро; Кобаяши, Масакадзу, Арканзас; Нагасима, Масахиро (2 января 2019 г.). «Смертельное излучение близлежащих сверхновых помогает объяснить малую космологическую постоянную» . Астробиология . 19 (1): 126–131. arXiv : 1804.10395 . Бибкод : 2019AsBio..19..126T . дои : 10.1089/ast.2018.1895 . ПМИД 30129784 . S2CID 133086904 . Проверено 21 октября 2022 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Линде, Андрей (1 февраля 2017 г.). «Краткая история мультивселенной». Отчеты о прогрессе в физике . 80 (2): 022001. arXiv : 1512.01203 . Бибкод : 2017РПФ...80б2001Л . дои : 10.1088/1361-6633/aa50e4 . ПМИД 28071600 . S2CID 5221573 .
- ^ Мартель, Хьюго; Шапиро, Пол Р .; Вайнберг, Стивен (январь 1998 г.). «Вероятные значения космологической константы». Астрофизический журнал . 492 (1): 29–40. arXiv : astro-ph/9701099 . Бибкод : 1998ApJ...492...29M . дои : 10.1086/305016 . S2CID 119064782 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- О'Дауд, Мэтт (24 января 2019 г.). «Кризис в космологии» . PBS Пространство-время . Архивировано из оригинала 20 декабря 2021 г. – на YouTube .
- «Худшее предсказание в физике» . Ютуб . Фермилаб . 14 марта 2024 г. из Fermilab (видео Дона «Доктора Дона» Линкольна )
