Вопрос о природе энергии пустого пространства давно занимает физиков и космологов. Если рассматривать вакуум не как абсолютно пустое пространство, а как активную среду с присущей ей энергией — так называемую нулевую точку энергии квантового поля — тогда возникает фундаментальная загадка. На основе существующих теорий предсказывается колоссальная величина этой энергии, которая в 120 раз больше того, что мы наблюдаем в реальной Вселенной. Такая ошибка считается одной из самых масштабных в истории науки. Можно ли исправить её и найти объяснение этой загадке — вопрос, вызывающий горячие дискуссии и интенсивные исследования до сих пор.
Изначально понятие космологической постоянной возникло в общем уравнении Эйнштейна в рамках его общей теории относительности. Для гармонизации модели Вселенной с представлениями того времени о стационарной и неизменной космосе Эйнштейн предложил в уравнения добавить дополнительный член — именно космологическую постоянную. Она выступает как энергия, присущая самому пространству, не зависящая от материи и излучения. Однако дальнейшие открытия Хаббла об expanding Вселенной поменяли взгляды: оказалось, что Вселенная расширяется, и космологическая постоянная теряет прежний статус обязательного компонента модели. Вторая волна интереса к космологической постоянной возникла с развитием квантовой теории полей.
Квантовые поля, лежащие в основе всего материального и нематериального во Вселенной, по законам квантовой механики не могут находиться в состоянии с нулевой энергией. Даже в вакууме должна оставаться энергия, связанная с постоянно возникающими и исчезающими виртуальными частицами и флуктуациями. Именно эта нулевая точка энергии считается физической основой космологической постоянной. Однако попытки провести точные расчёты этой энергии при помощи квантовой теории и стандартной модели элементарных частиц приводят к абсурдным результатам. Получаемые значения превышают наблюдаемую плотность энергии Вселенной почти на 10 в 120-й степени, что физически невозможно.
Такая огромная энергия должна была бы мгновенно разорвать структуру материи и пространства, делая невозможным появление галактик, звёзд и жизни как таковой. Такая разница между теорией и экспериментом называется проблемой космологической постоянной — самой большой проблемой в фундаментальной физике. Она включает в себя два взаимосвязанных аспекта: почему значение космологической постоянной не огромное и почему оно не равно нулю, а имеет небольшое положительное значение, совпадающее с наблюдаемым ускоренным расширением Вселенной. Ранние гипотезы предполагали, что существует ещё не открытая симметрия или фундаментальный закон, который заставляет все большие вклады к нулевой точке энергии взаимно уничтожаться, что могло бы свести общую энергию вакуума к нулю. Такие идеи отчасти вдохновляли поиски теорий суперсимметрии — предполагаемого расширения Стандартной модели, вводящего парные частицы с противоположными свойствами, компенсирующими избыток энергии.
Однако несмотря на многие экспериментальные попытки, суперсимметрия пока не нашла подтверждения. С другой стороны, идея множества вселенных — мультивселенной — внесла новую перспективу. Согласно некоторым теориям, включая струнную теорию, может существовать огромное количество параллельных вселенных, в каждой из которых вакуумная энергия имеет своё специфическое значение. В большинстве из них космологическая постоянная слишком велика или мала для формирования сложных структур и, как следствие, жизни. Поэтому мы наблюдаем именно ту вселенную, где значение космологической постоянной невелико и положительно — иначе бы нас не было.
Этот так называемый антропный подход получил вес в научном сообществе, несмотря на критику как мало предсказывающий и удовлетворяющий сугубо наблюдательским критериям Важно отметить, что открытие тёмной энергии в 1998 году стало убедительным свидетельством того, что космологическая постоянная действительно существует и оказывает значимое влияние на динамику Вселенной. Тёмная энергия неконвенциональна тем, что её плотность остаётся почти постоянной, несмотря на расширение пространства, что проявляется в ускоряющейся скорости расширения Вселенной. Сегодня она считается одной из самых важных тайны космологии и физики. Интересно, что некоторые физики пытаются связать малую величину космологической постоянной с массами лёгких частиц, например нейтрино, масса которых невелика и до сих пор полностью не объяснена на фундаментальном уровне. Есть также гипотезы о том, что скрытые частицы, такие как гипотетические аксоны, могут играть ключевую роль в формировании малой величины вакуумной энергии.
Эти частицы также связаны с другими нерешёнными проблемами физики, такими как темная материя и нарушение симметрии в природе. Текущие исследования охватывают широкий спектр направлений поисков решения. Одним из них является работа с новыми теориями гравитации и модификациями общей теории относительности, которые могли бы объяснить стабильность маленького положительного космологического постоянного значения. Другое направление связано с углублением понимания структуры квантового вакуума с использованием сверхсовременных теорий, таких как теория струн и квантовая гравитация. В научном сообществе существует осознание, что разрешение проблемы космологической постоянной выйдет далеко за рамки простой корректировки существующих моделей — это требует новые фундаментальные идеи и возможно революционные теоретические прорывы.
Поскольку вопрос касается основ устройства времени, пространства и материи, его решение способно повлиять на все области физики. Стоит подчеркнуть, что несмотря на сложность проблемы и многолетние усилия ведущих учёных, окончательного ответа пока нет. Текущие теории хоть и дают основу для понимания и направления поиска, но не способны полностью объяснить столь феноменально малое значение вакуумной энергии. Таким образом, можно заключить, что мы стоим перед одной из главных загадок фундаментальной науки нашего времени. Решение проблемы космологической постоянной не только поможет нам понять истинную природу космоса, но и, возможно, откроет новые горизонты в физике элементарных частиц, квантовой механике и космологии.
До сих пор вопрос остаётся открытым, разрушая привычное представление о Вселенной и показывая, насколько мало мы на самом деле знаем о её глубинном устройстве. Только новые экспериментальные данные и инновационные теоретические модели позволят продвинуться в понимании и, возможно, исправить «самую плохую» из всех научных предсказаний.
