| За пределами стандартной модели |
|---|
 |
| Стандартная модель |
В космологии , то космологическая постоянная проблема или вакуума катастрофы является расхождение между наблюдаемыми значениями энергии вакуума плотности (малой величины космологической постоянной ) и теоретической большим значением энергии нулевой точки , предложенной квантовой теории поля .
В зависимости от ограничения энергии Планка и других факторов, расхождение достигает 120 порядков величины [1], положение дел, описываемое физиками как «самое большое расхождение между теорией и экспериментом во всей науке» [1] и » худшее теоретическое предсказание в истории физики ». [2]
История [ править ]
Основная проблема энергии вакуума, производящей гравитационный эффект, была определена еще в 1916 году Вальтером Нернстом . [3] [ необходим непервичный источник ] Он предсказал, что значение должно быть либо нулевым, либо очень маленьким [ почему? ] , так что теоретическая проблема была уже очевидна и стала активно обсуждаться в 1970-х годах.
С развитием инфляционной космологии в 1980-х годах проблема стала гораздо более важной: поскольку космическая инфляция движется за счет энергии вакуума, различия в моделировании энергии вакуума приводят к огромным различиям в получаемых космологиях. [4] [ требуется дальнейшее объяснение ]
Квантовое описание [ править ]
После развития квантовой теории поля в 1940-х годах первым, кто рассмотрел вклад квантовых флуктуаций в космологическую постоянную, был Зельдович (1967, 1968). [5] [ необходим непервичный источник ] В квантовой механике сам вакуум должен испытывать квантовые флуктуации. В общей теории относительности эти квантовые флуктуации составляют энергию, которая добавляется к космологической постоянной. Однако эта рассчитанная плотность энергии вакуума на много порядков больше наблюдаемой космологической постоянной. [6] Первоначальные оценки степени несоответствия достигли 120 порядков; однако современные исследования показывают, что когда лоренц-инвариантностьс учетом того, что степень рассогласования приближается к 60 порядкам. [7]
Вычисленная энергия вакуума является скорее положительным, чем отрицательным вкладом в космологическую постоянную, потому что существующий вакуум имеет отрицательное квантово-механическое давление , а в общей теории относительности гравитационный эффект отрицательного давления является своего рода отталкиванием. (Давление здесь определяется как поток квантово-механического импульсаГрубо говоря, энергия вакуума вычисляется путем суммирования по всем известным квантово-механическим полям с учетом взаимодействий и самовзаимодействий между основными состояниями, а затем удаления всех взаимодействий ниже минимальной длины волны «отсечки», чтобы отразить это существующие теории рушатся и могут быть неприменимы к шкале отсечения. Поскольку энергия зависит от того, как поля взаимодействуют в текущем состоянии вакуума, вклад энергии вакуума был бы другим в ранней Вселенной; например, энергия вакуума должна была бы значительно отличаться до нарушения электрослабой симметрии во время кварковой эпохи . [7]
Перенормировка [ править ]
Энергия вакуума в квантовой теории поля может быть установлена на любое значение путем перенормировки. Эта точка зрения рассматривает космологическую постоянную как просто еще одну фундаментальную физическую постоянную, не предсказываемую или не объясняемую теорией. [8] Такая константа перенормировки должна быть выбрана очень точно из-за несоответствия на многие порядки между теорией и наблюдением, и многие теоретики считают эту специальную константу эквивалентом игнорирования проблемы. [1]
Предлагаемые решения [ править ]
Некоторые физики предлагают антропное решение и утверждают, что мы живем в одной области огромной мультивселенной, у которой есть разные области с разными энергиями вакуума. Эти антропные аргументы утверждают, что только области с небольшой вакуумной энергией, такие как та, в которой мы живем, разумно способны поддерживать разумную жизнь. Такие аргументы в той или иной форме существуют по крайней мере с 1981 года. Примерно с 1987 года Стивен Вайнбергподсчитал, что максимально допустимая энергия вакуума для образования гравитационно связанных структур проблематично велика, даже с учетом данных наблюдений, доступных в 1987 году, и пришел к выводу, что антропное объяснение, похоже, не работает; однако более поздние оценки Вайнберга и других, основанные на других соображениях, показывают, что этот уровень должен быть ближе к реально наблюдаемому уровню темной энергии. [9] [10] Антропные аргументы постепенно завоевали доверие многих физиков после открытия темной энергии и развития теоретической теории струн., но их все еще высмеивает значительная скептически настроенная часть научного сообщества, считая их проблематичными для проверки. Сами сторонники антропных решений разделились по множеству технических вопросов, связанных с расчетом доли регионов Вселенной с различными константами темной энергии. [9] [11]
Другие предложения включают изменение гравитации, чтобы отклониться от общей теории относительности . Эти предложения сталкиваются с препятствием, поскольку до сих пор результаты наблюдений и экспериментов имели тенденцию быть чрезвычайно совместимыми с общей теорией относительности и моделью ΛCDM.и несовместимы с предложенными на данный момент модификациями. Кроме того, некоторые из предложений, возможно, неполны, потому что они решают проблему «новой» космологической постоянной, предполагая, что фактическая космологическая постоянная равна нулю, а не крошечному числу, но не решают «старую» проблему космологической постоянной о том, почему квантовые флуктуации, по-видимому, в первую очередь не способны произвести значительную энергию вакуума. Тем не менее, многие физики утверждают, что, отчасти из-за отсутствия лучших альтернатив, предложения по изменению гравитации следует рассматривать как «один из самых многообещающих путей решения» проблемы космологической постоянной. [11]
Билл Унру и его сотрудники утверждали, что, когда плотность энергии квантового вакуума более точно моделируется как флуктуирующее квантовое поле, проблема космологической постоянной не возникает. [12] Идя в другом направлении, Джордж Ф. Р. Эллис и другие предположили, что в унимодулярной гравитации вызывающие беспокойство вклады просто не притягиваются. [13] [14]
Еще один аргумент, из - за Стэнли Бродским и Роберт Shrock, что в световом фронте квантования , то квантовая теория поля вакуум становится существенно тривиальна. В отсутствие вакуумных математических ожиданий отсутствует вклад КЭД , слабых взаимодействий и КХД в космологическую постоянную. Таким образом, предсказывается, что он будет равен нулю в плоском пространстве-времени . [15] [16]
В 2018 году был предложен механизм сокращения Λ за счет использования потенциала нарушения симметрии в лагранжевом формализме, в котором вещество показывает ненулевое давление. Модель предполагает, что стандартная материя обеспечивает давление, которое уравновешивает действие, обусловленное космологической постоянной. Луонго и Муччино показали, что этот механизм позволяет получать энергию вакуума, как предсказывает квантовая теория поля , но устраняет огромную величину с помощью элемента противовеса, обусловленного только барионами и холодной темной материей . [17]
См. Также [ править ]
- Список нерешенных проблем физики
- Ультрафиолетовая катастрофа
Ссылки [ править ]
- ^ a b c Адлер, Рональд Дж .; Кейси, Брендан; Джейкоб, Овидий К. (1995). «Вакуумная катастрофа: элементарное изложение проблемы космологической постоянной». Американский журнал физики . 63 (7): 620–626. Bibcode : 1995AmJPh..63..620A . DOI : 10.1119 / 1.17850 . ISSN 0002-9505 .
- ^ МП Хобсон, ГП Efstathiou & Lasenby (2006). Общая теория относительности: введение для физиков (Переиздание). Издательство Кембриджского университета . п. 187. ISBN. 978-0-521-82951-9.
- ^ W Нернст (1916). "Über einen Versuch von quantentheoretischen Betrachtungen zur Annahme stetiger Energieänderungen zurückzukehren" . Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на немецком языке). 18 : 83–116.
- ^ С. Вайнберг «Проблема космологической постоянной», Обзор современной физики 61 (1989), 1-23. DOI : 10.1103 / RevModPhys.61.1
- ↑ Зельдович Ю.Б., Письма в ЖЭТФ «Космологическая постоянная и элементарные частицы» 6 (1967), 316-317 и «Космологическая постоянная и теория элементарных частиц» Успехи советской физики, 11 (1968), 381-393.
- ^ «Простое объяснение таинственного пространства-растяжка„темной энергии? “ » . Наука | AAAS . 10 января 2017 . Проверено 8 октября 2017 года .
- ^ а б Мартин, Джером. «Все, что вы всегда хотели знать о проблеме космологической постоянной (но боялись спросить)». Comptes Rendus Physique 13.6-7 (2012): 566-665.
- ^ SE Rugh, H Zinkernagel; Цинкернагель (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 . Bibcode : 2002SHPMP..33..663R . DOI : 10.1016 / S1355-2198 (02) 00033-3 . S2CID 9007190 .
- ^ a b Линде, Андрей. «Краткая история мультивселенной». Успехи физики. 80, вып. 2 (2017): 022001.
- ^ Мартель, Хьюго; Шапиро, Пол Р .; Вайнберг, Стивен (январь 1998 г.). «Вероятные значения космологической постоянной». Астрофизический журнал . 492 (1): 29–40. arXiv : astro-ph / 9701099 . Bibcode : 1998ApJ ... 492 ... 29М . DOI : 10.1086 / 305016 . S2CID 119064782 .
- ^ a b Bull, Филип, Яшар Акрами, Джулиан Адамек, Тесса Бейкер, Эмилио Беллини, Хосе Бельтран Хименес, Элоиза Бентивенья и др. «За пределами ΛCDM: проблемы, решения и путь вперед». Физика Темной Вселенной 12 (2016): 56-99.
- ^ Ван, Цинди; Чжу, Чжэнь; Унру, Уильям Г. (2017). «Как огромная энергия квантового вакуума тяготеет к медленному ускоряющемуся расширению Вселенной». Physical Review D . 95 (10): 103504. arXiv : 1703.00543 . Bibcode : 2017PhRvD..95j3504W . DOI : 10.1103 / PhysRevD.95.103504 . S2CID 119076077 .
- ^ Эллис, Джордж FR (2014). «Бесследные уравнения Эйнштейна и инфляция». Общая теория относительности и гравитации . 46 : 1619. arXiv : 1306.3021 . Bibcode : 2014GReGr..46.1619E . DOI : 10.1007 / s10714-013-1619-5 . S2CID 119000135 .
- ^ Percacci, R. (2018). «Унимодулярная квантовая гравитация и космологическая постоянная». Основы физики . 48 (10): 1364–1379. arXiv : 1712.09903 . Bibcode : 2018FoPh ... 48.1364P . DOI : 10.1007 / s10701-018-0189-5 . S2CID 118934871 .
- ^ SJ Бродский, CD Робертс, Р. Shrock и PC Тэнди. Сущность вакуумного кваркового конденсата . Phys.Rev. C82 (2010) 022201 [arXiv: 1005.4610].
- ^ SJ Бродский, CD Робертс, Р. Shrock и PC Тэнди. Конфайнмент содержит конденсат . Phys.Rev. C85 (2012) 065202 [arXiv: 1202.2376]
- ^ Луонго, Орландо; Муччино, Марко (21.11.2018). «Ускорение Вселенной с помощью пыли с давлением». Physical Review D . 98 (10): 2–3. arXiv : 1807.00180 . Bibcode : 2018PhRvD..98j3520L . DOI : 10.1103 / physrevd.98.103520 . ISSN 2470-0010 . S2CID 119346601 .
Внешние ссылки [ править ]
- О'Дауд, Мэтт (24 января 2019 г.). «Кризис в космологии» . PBS Spacetime - через YouTube .
