Что, если темная энергия не постоянна?

Гарвардский физик Кумран Вафа — один из сильнейших сторонников теории струн. Но этим летом другие теоретики струн набросились на его последнее предложение, которое может дискредитировать их идеи, основанные на десятилетнем предположении, что темная энергия постоянна (константа). Работа Вафы подразумевает, что значение темной энергии меняется. Непостоянная темная энергия — это следствие попытки Вафы и его сотрудников применить теорию струн к Вселенной, подобной нашей, где сам вакуум пространства имеет некоторую присущую ему энергию.

Если его гипотеза (и сама теория струн) истинна, темная энергия, эта загадочная субстанция, на которую приходится больше 70% общей массы и энергии Вселенной и которая ускоряет ее расширение, будет силой изменений. Но постоянная темная энергия долгое время служила основой для многих идей теории струн — поэтому парадоксально, что именно непостоянная темная энергия может привести к успеху теории.
 

«Впервые мы могли бы извлечь что-то из теории струн, что можно измерить», говорит ученый Тимм Врейс из Института теоретической физики Венского технологического университета в Австрии. «Но я не знаю, случится это на самом деле или нет».

Давайте начнем с самого начала: мы живем во Вселенной, которая, похоже, соблюдает правила. На самых больших масштабах большие объекты следуют правилам общей теории относительности, взаимодействуя между собой посредством силы гравитации. В мельчайших масштабах субатомные частицы следуют правилам квантовой механики и квантовой теории поля, взаимодействуя посредством силовых полей, которые проявляют себя как частицы-переносчики силы. Но математика не сходится, когда вы пытаетесь объяснить ОТО как огромное расширение квантовой теории поля. Более грандиозная теория — теория струн — пытается объединить ОТО с квантовой механикой, и в ней каждая частица представлена крошечной струной, вибрации которой в более многомерном пространстве кодируют свойства, которые наблюдают ученые.

Впрочем, теория — это не совсем точно. Это, скорее, всеобъемлющая математическая основа, фреймворк, из которого ученые могут извлекать теории о нашей Вселенной, а также об огромном количестве других разрешенных вселенных. Теоретики струн надеются, что наша Вселенная входит в число этих возможностей. Другие считают, что теория струн в корне неверная, но сейчас не об этом.

Теории струн должны объяснять вселенную вроде нашей во всех аспектах, чтобы их можно было считать правильными. Наша вселенная, судя по всему, состоит на 4% из материи (вещества, которое мы видим), на 25% из загадочной темной материи, а остальное, как показали наблюдения 1988 года, приходится на «темную энергию». Струнные теоретики работали, исходя из предположения, что сила темной энергии не меняется, и их теории эволюционировали. Но Вафа и его соавторы предположили в работе этим летом, что для того, чтобы существовать по правилам теории струн, наша Вселенная должна иметь поле темной энергии, значение которого уменьшается.

Если значение темной энергии меняется, это будет важно для тех, теории которых опираются на предположение о том, что темная энергия постоянна. «Возможно, нам нужно вернуться к основа», говорит Врейс. Также это изменило бы представление об эволюции Вселенной — как в прошлом, так и в будущем.

Гипотеза Вафы изначально была довольно мощной и привела к «огромному волнению», говорит Врейс. Она выступила в качестве призыва к действию для теоретиков струн, которые посчитали, что фреймворк оказался под угрозой. Некоторые сразу сказали, что это чушь — физик из Стэнфорда Ева Сильверстайн рассказала Quanta, что допущение было основано на других допущениях, а анализ был «весьма сомнительный». Другие используют этот документ как возможность убедиться, что их теории действительно могут описывать Вселенную, подобную нашей.

Врейс и другие с критикой обратились к работе Вафы и его группы, и их мнения были опубликованы в Physical Review D. Работа Врейса установила, что некоторые предполагаемые свойства нашей собственной вселенной, в частности те, которые связывают с полем бозона Хиггса, противоречат по существу некоторым математическим допущениям. К примеру, изначальное допущение гласило, что поведение физического поля, управляющего темной энергией, извлекается из математической функции без максимумов и минимумов, линия на графике без пиков и впадин. Врейс обнаружил, что наличие силового поля, связанного с бозоном Хиггса, требует пика в этой функции.

Но работа Врейса не исключает идею Вафы — Вафа просто уточнил допущение, чтобы оно было лучше применимо к вселенной, в которой мы живем. Существуют и другие подобные работы, и Вафа согласен с уточнениями.

Что на самом деле интересно, так это то, что мы можем вскоре узнать, предлагает ли работа Вафы проверяемое в ходе эксперимента предсказание теории струн. Это было бы первое доказуемое следствие из теории струн. Некоторые эксперименты могли бы проверить, меняется ли темная энергия со временем или остается постоянной, и, возможно, сделают это в течение нескольких следующих лет.

Так что, на горизонте маячит сдвиг парадигмы? «Большинство ученых не станет говорить, что эта гипотеза верна или неверна», говорит Врейс. Сам Вафа считает, что он, конечно, может ошибаться, и это также говорит о важности теории струн. «Но если Вафа прав?», говорит Врейс. «Это было бы самым большим событием в теории струн — сделать измеримый прогноз».