Проблема космологической постоянной

Пробле́ма космологи́ческой постоя́нной — закрепившееся в современной астрофизике выражение, означающее предполагаемое противоречие между предсказаниями двух фундаментальных физических теорий: общей теории относительности (ОТО) и квантовой физики.

Согласно предсказаниям квантовой теории, физический вакуум может обладать так называемой нулевой энергией. В силу так называемой перенормировки вероятности процессов не зависят от этой самой нулевой энергии, но при попытке совместить ОТО и квантовую теорию появляется очень интересная деталь: нулевая энергия вакуума может быть обнаружена в силу её влияния на метрику пространства-времени. При анализе уравнений ОТО с учётом квантовых зависимостей при некоторых естественных предположениях получается значение космологической постоянной порядка планковской величины плотности, 10¹⁰⁶ г/см³, в то время как экспериментальные данные говорят о величине, меньшей на 120 порядков — «наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией», по словам Ли Смолина.^[1] Это противоречие говорит о наличии вклада в космологическую постоянную ещё какого-то слагаемого, помимо нулевой энергии вакуума. Но так как в данный момент нет никакой теории, объясняющей появление этого слагаемого из каких-либо более общих принципов, то говорят о «проблеме космологической постоянной».

Другими словами, если бы плотность энергии вакуума $w$ была бы перенормируемой, относительной величиной, то её можно было бы считать равной нулю. Однако, согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая плотность энергии создаёт гравитационное поле, которое изменяет геометрию пространства-времени. Поэтому в ОТО плотность энергии вакуума имеет абсолютное значение и может быть измерена путём измерения гравитационного поля, создаваемого вакуумом. Фактически, это равноценно определению космологической постоянной

$~\Lambda=8\pi G\frac w {c^4}$.

Измерения $~\Lambda$, основанные на эффекте разбегания галактик, дают очень малое значение для космологической постоянной: $\Lambda \sim 10^{-53}$ м ⁻². Искажения Вселенной становятся ощутимы лишь при масштабах, сравнимых с размером наблюдаемой части Вселенной, $\Lambda^{-1/2}=3\cdot10^{26}$ м. С другой стороны, даже одно-единственное квантовое поле, например, электрон-позитронное, создаёт в вакууме нулевую плотность энергии $w \sim m_e(m_e \frac{c}{\hbar})^3c^2$, тогда $\Lambda\sim3\cdot10^{-17}$ м ⁻², что совершенно не соответствует действительности.

Примечания

1. ↑ Lee Smolin. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует = The trouble with physics: the rise of string theory, the fall of a science, and what comes next. — Boston: Houghton Mifflin, 2006. — ISBN 9780618551057

Литература

• Космологическая постоянная. Архивировано из первоисточника 10 августа 2012. Проверено 10 августа 2012.
• С. Вайнберг «ПРОБЛЕМА КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ» (Лекции имени Мориса Леба по физике в Гарвардском университете 2, 3, 5 и 10 мая 1988 года) = Weinberg C. S. The cosmological constant problem (Moris Loeb lectures in physics, Harvard University. May 2, 3, 5, and 10, 1988): UTTG-12-88-Перевод M. Б. Волошина.-Опубликовано: //Rev. Mod. Phys. 1989. V. 61. P. 1-23. // Успехи физических наук. — 1989. — В. 8. — Т. 158. — С. 639–678. — DOI:10.3367/UFNr.0158.198908d.0639 Архивировано из первоисточника 10 августа 2012.