10¹²⁰. Уявіть собі число, за яким іде сто двадцять нулів. Це коефіцієнт розбіжності між передбаченнями квантової теорії та реальністю. Саме в стільки разів квантова фізика завищує значення однієї маленької константи, яка керує розширенням Всесвіту. Якби вона була такою великою, як вимагає математика, галактики, зірки та планети просто не могли б існувати. Всесвіт розлетівся б на шматки ще до того, як у ньому з’явився перший атом водню.
Всесвіт існує.
І тепер дослідники з Brown University у США зрозуміли, чому природа обрала саме це, здавалося б, неможливе значення.
Найбільша помилка
1917 рік. Альберт Ейнштейн працює над рівняннями загальної теорії відносності своєю теорією простору, часу та гравітації, яка згодом змінить уявлення людства про Всесвіт. На той час вчений був переконаний, що космос статичний: нерухомий, незмінний, вічний у своєму нинішньому вигляді. Але його власні рівняння наполегливо вказували на інше без додаткового члена вони передбачали колапс або необмежене розширення.
Щоб врятувати статичний Всесвіт, Ейнштейн додав до рівнянь своєрідну «антигравітацію» порожнього простору космологічну сталу. Цей доданок мав протидіяти гравітаційному притяганню на космологічних масштабах, утримуючи зірки та галактики на місці.
Потім Едвін Габбл у 1929 році опублікував шокуючі дані: Всесвіт розширюється. Далекі галактики віддаляються від нас, і чим далі вони знаходяться, тим швидше рухаються. Статична картина світу розсипалася, як картковий будиночок.
Космологічна стала раптово стала непотрібною. Ейнштейн викреслив її з рівнянь і, за легендою, назвав «найбільшою помилкою» свого життя. Проте історія на цьому не закінчилася. У 1998 році дві групи астрономів, спостерігаючи за далекими надновими зірками, виявили шокуючу річ: розширення Всесвіту не просто триває воно прискорюється. Щось штовхає простір у простір, і це «щось» темна енергія, яку найпростіше описати саме через космологічну сталу.
Вона повернулася. Але з поверненням прийшла катастрофа.
Проблема, яка не дає спати
Квантова теорія поля один із найточніших інструментів науки. Вона передбачила магнітний момент електрона з точністю до десятка десяткових знаків, і експерименти підтвердили це. Теорія стверджує, що порожній простір кишить віртуальними частинками: електронами та позитронами, кварками та бозонами, які постійно народжуються з нічого і миттєво зникають. Ці квантові флуктуації несуть енергію величезну, невимірну, таку, що за розрахунками має перетворити космологічну сталу на монстра.
За квантовою теорією, стала має бути близькою до нескінченності. За спостереженнями вона мізерно мала, майже нульова, але достатня, щоб забезпечити прискорене розширення.
Розрив між теорією і реальністю становить ті самі 10¹²⁰ порядків. Це найгірше передбачення в історії фізики. Якби стала була хоча б трохи більшою, Всесвіт розширився б так швидко, що:
- Галактики гравітація не мала б часу стиснути газ у зоряні системи;
- Зірки навіть якби речовина зібралася, зоряне ядро не утворилося б;
- Планети без зірок немає важких елементів, з яких будуються світи;
- Життя без планет і складної хімії не з’явилося б ні білка, ні подиху.
Те, що ми тут існуємо, це доказ того, що теорія помиляється. Або що ми чогось не розуміємо.
Топологічний захист
Нове дослідження, опубліковане у престижному журналі Physical Review Letters, пропонує елегантний механізм, який захищає Всесвіт від власного хаосу. Автори професор фізики Стівон Александер та його колеги з Brown Theoretical Physics Center Аарон Хуї та Геліудсон Бернардо знайшли несподіваний зв’язок між квантовою гравітацією та квантовим ефектом Холла.
Ефект Холла відкрив Едвін Холл ще 1879 року. У класичному вигляді він простий: коли електричний струм тече крізь провідник у магнітному полі, виникає напруга, перпендикулярна до струму. Але в квантовому режимі при температурах, близьких до абсолютного нуля, і в сильних магнітних полях все змінюється кардинально. Замість плавної зміни напруги система «стрибає» між чіткими ступенями плато. Найдивовижніше те, що ці значення залишаються незмінними незалежно від матеріалу, домішок, дефектів чи навіть форми зразка.
Чому?
Тому що їх захищає топологія математика «форми» та глобальної структури системи. Якщо уявити квантовий стан як поверхню, то її глобальна форма не змінюється від локальних пошкоджень. Ви можете подряпати кулю, проколоти її, деформувати але щоб перетворити її на бублик, потрібен справжній розрив, глобальна трансформація. Топологічний захист означає, що мікроскопічний хаос не руйнує макроскопічний порядок.
Александер працював із теорією Черна-Саймонса-Кодами (CSK) одним із підходів до квантової гравітації, який виростає з класичної квантової теорії поля. Це консервативний метод: «старомодна» канонічна квантизація, яку використовували Дірак, Шредінгер та Джон Вілер. Багато фізиків вважали його занадто простим, щоб дати щось нове. Вони помилялися.
«Ми показали, що якщо простір-час має цю нетривіальну топологію, то це вирішує одну з найнебезпечніших проблем космологічної сталої, пояснює Стівон Александер. Усі квантові збурення, які мали б роздути значення сталої до неймовірних розмірів, нейтралізуються цією топологією, яка утримує її значення стабільним».
Як це працює
У рамках CSK математика опису простору-часу на квантовому рівні виявляється напрочуд схожою на математику ефекту Холла. Дослідники стверджують, що космологічна стала отримує так званий «топологічний захист» точно так само, як провідність у квантовому ефекті Холла.
Аарон Хуї, який спеціалізується на топологічних системах, допоміг розшифрувати цей зв’язок:
«Ми виявили, що квантування електричної провідності в ефекті Холла має аналогію з космологічною сталою. Вона також виявляється квантованою з топологічних причин. У теорії виникають обмеження, які змушують космологічну сталу приймати певні дозволені квантовані значення».
Суть у тому, що простір-час не є пасивним фоном, на якому відбувається дія. Його геометрія на найглибшому рівні може мати властивості, які блокують руйнівні квантові корекції. Топологія простору-часу «блокує» сталу, не даючи їй розростися до тих катастрофічних величин, які передбачає проста квантова теорія. Вона дозволяє лише певні, строго обмежені значення і наше Всесвіт, очевидно, «сів» на одне з них.
Це як замок, вбудований у саму архітектуру Всесвіту.
Між двох світів
Ідея народилася не в ізоляції, а в атмосфері, яку сам Александер охарактеризував як ключову для прогресу. Brown Theoretical Physics Center навмисно будує середовище, де космологи працюють пліч-о-пліч із теоретиками конденсованої матерії тих, хто вивчає властивості твердих тіл та квантових рідин.
«Це краса Brown Theoretical Physics Center, каже Александер. Ми хочемо бути місцем, де змішується багато поглядів, і це ми втілюємо на практиці космолог, який тісно співпрацює з теоретиком конденсованої матерії».
Така міждисциплінарна колаборація стала рідкістю в сучасній науці, де вузька спеціалізація часто ізолює дослідників у власних бульбашках. Команда з Brown довела, що найглибші космологічні загадки можуть ховатися в поведінці електронів у надтонких металевих пластинах.
Для Александера це відкриття має особливий смак. CSK-стан довгий час залишався в тіні більш модних підходів до квантової гравітації, таких як петлева квантова гравітація або струнна теорія. Тепер же «консервативний» підхід раптово демонструє прихований потенціал, який більш футуристичні теорії не могли реалізувати.
«Ми взяли щось старе цей консервативний, канонічний підхід до квантизації гравітації і відкрили щось нове, що було там усе це час, резюмує Александер. Зараз ми працюємо над більш широкою картиною того, як це явище працює».
Що далі
Проблема космологічної сталої не є абстрактною головоломкою для інтелектуальних ігор. Вона торкається самого фундаменту нашого існування. Те, що ми тут існуємо, це доказ того, що Всесвіт налаштований з неймовірною точністю. Зміна сталої навіть на порядок і все навколо розсипалося б.
Топологічне пояснення пропонує третій варіант: квантова теорія поля права, але простір-час має глобальні властивості, які ми раніше не враховували. CSK-стан може стати серйозним кандидатом на роль майбутньої теорії квантової гравітації тієї самої «теорії всього», яка нарешті поєднає гравітацію з квантовою механікою.
Звичайно, попереду ще багато роботи. Потрібні додаткові математичні перевірки, пошук можливих експериментальних слідів, інтеграція з іншими галузями фізики. Але перший крок зроблено і він виглядає надзвичайно переконливо.
Ейнштейн називав космологічну сталу своєю найбільшою помилкою.
Можливо, він просто побачив її занадто рано.
Про автора
