Вокруг вас постоянно рождаются невидимые червоточины: физики предложили новую концепцию темной энергии

Вселенная расширяется. Более того, она расширяется с ускорением. Чтобы объяснить этот процесс, физики ввели понятие «темная энергия» — неизвестной силы, которая расталкивает галактики, заставляя пространство раздуваться все быстрее.

Самое простое объяснение темной энергии — это так называемая космологическая постоянная. По сути, это энергия, присущая самому вакууму, пустому пространству. Идея звучит неплохо, но с ней есть проблема. Когда теоретики пытаются рассчитать значение этой постоянной, исходя из законов квантовой механики, они получают число, которое на 120 порядков (то есть в 10¹²⁰ раз) больше, чем-то, что наблюдают астрономы.

Это расхождение называют «худшим предсказанием в истории физики». И оно заставляет ученых искать другие, более радикальные идеи.

Новое исследование группы физиков предлагает рассмотреть одну из таких идей. Что, если темная энергия — это не фундаментальное свойство вакуума, а побочный эффект постоянных изменений самой ткани пространства-времени на микроскопическом уровне? Например, результат появления и исчезновения бесчисленных квантовых червоточин?

Что такое квантовая пена?

На привычных нам масштабах пространство-время воображается гладким и непрерывным. Но теория предсказывает, что если увеличить его до предельных, планковских масштабов, картина кардинально изменится. Там пространство перестает быть статичным. Оно превращается в квантовую пену — бурлящий, хаотичный океан энергии, в котором постоянно рождаются и умирают виртуальные частицы, а сама геометрия пространства-времени колеблется.

В этой пене могут спонтанно возникать микроскопические структуры, в том числе крошечные, короткоживущие червоточины — гипотетические туннели, соединяющие разные точки пространства. Их появление — это не просто локальное возмущение, а базовое изменение топологии Вселенной.

Топология — это раздел геометрии, который изучает свойства фигур, не меняющиеся при их непрерывной деформации. Например, с точки зрения топологии, кофейная чашка и пончик — это одно и то же: объект с одной дыркой. Превратить сферу (без дырок) в пончик (с одной дыркой) нельзя, не разорвав ее. Создание червоточины — это как раз такой разрыв. Это акт изменения базовой связности пространства.

Как это работает?

Именно в этом изменении топологии и заключается суть новой идеи. В стандартной Общей теории относительности Эйнштейна появление таких микро-червоточин почти не влияет на космологию в целом. Их эффекты усредняются и на больших масштабах становятся незаметными.

Но авторы исследования добавили в уравнения гравитации дополнительный компонент, известный как член Гаусса-Бонне. Этот математический объект описывает глобальную кривизну пространства. В четырехмерном пространстве-времени (три пространственных измерения плюс время) он ведет себя как топологический инвариант. Это значит, что пока топология пространства не меняется, он остается постоянным и не влияет на локальную физику — то есть на то, как движутся планеты или распространяется свет. Он просто есть, как некая фоновая характеристика.

Но что произойдет, если топология изменится? Например, если в квантовой пене родится червоточина?

Именно здесь и происходит самое интересное. Процедура, которая в обычных условиях не давала никакого эффекта, при изменении топологии внезапно порождает в уравнениях гравитации новый член. Математически он выглядит и ведет себя в точности как космологическая постоянная.

Ключевой аспект в том, что темная энергия в этой модели — не вшитая в вакуум константа. Она возникает как прямое следствие динамического процесса: постоянного изменения топологии пространства-времени на квантовом уровне.

Сколько червоточин нужно для нашей Вселенной?

Любая теория должна выдерживать проверку числами. Насколько сильным будет этот новый эффект? Величина этой «эффективной темной энергии» зависит от двух параметров: интенсивности связи (константы, пришедшей из теории струн) и, что самое главное, плотности возникающих червоточин.

Иными словами, чем активнее бурлит квантовая пена и чем чаще в ней появляются микро-червоточины, тем сильнее эффект расталкивания Вселенной.

Авторы провели расчет. Чтобы полученная ими космологическая постоянная совпала с наблюдаемым значением, плотность червоточин должна составлять примерно 10¹⁶ (десять квадриллионов) штук на кубический метр в секунду. Звучит как огромное число, но по меркам существующих моделей квантовой пены это вполне разумная оценка. И уж точно она выглядит куда реалистичнее, чем расхождение в 120 порядков в стандартной модели.

Новая перспектива

Эта работа не дает точного ответа на вопрос о природе темной энергии. Это теоретическая модель, которую еще предстоит проверить и встроить в более общую картину мира.

Однако она заменяет непонятную, статичную константу на динамический, физический процесс. Темная энергия перестает быть чем-то внешним и становится свойством самой живой и изменчивой ткани реальности.

Более того, если допустить что плотность червоточин не была постоянной в истории Вселенной, значит, и сила темной энергии могла меняться. А это, в свою очередь, может помочь объяснить некоторые другие космологические загадки.