[Перевод] Уравнения Эйнштейна могут объяснить устройство Вселенной без тёмной энергии

Уравнения Эйнштейна могут объяснить устройство Вселенной без тёмной энергии

Средний

7 мин

220

Перевод

Математики ставят под серьёзное сомнение одно из наиболее общепринятых объяснений современной космологии: представление о том, что ускоренное расширение Вселенной вызывается тёмной энергией.

Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the Royal Society A, представляет математические результаты, которые, по словам учёных из Калифорнийского университета в Дейвисе, выявляют фундаментальную неустойчивость стандартной модели расширяющейся Вселенной. Их расчёты показывают, что ускорение космического расширения может естественным образом следовать из уравнений Эйнштейна, потенциально устраняя необходимость привлекать для объяснения загадочную тёмную энергию.

Работа ставит под сомнение модель с космологической постоянной и холодной тёмной материей, ведущую теоретическую концепцию, которую учёные используют для описания эволюции Вселенной после Большого взрыва. Исследователи пришли к своим выводам, изучая уравнения Эйнштейна — Эйлера, которые объединяют общую теорию относительности Эйнштейна с уравнениями, описывающими поведение жидкостей и газов. Вместе эти математические инструменты помогают учёным исследовать самые разные явления, от галактик и чёрных дыр до расширения Вселенной.

Скрытая неустойчивость в нашей модели Вселенной

Чтобы объяснить проблему, Блейк Темпл, ответственный автор исследования и заслуженный почётный профессор математики Калифорнийского университета в Дейвисе, предложил простую аналогию: карандаш, стоящий вертикально на своём кончике.

«Когда карандаш стоит на кончике, все силы находятся в равновесии, поэтому такое положение является „решением уравнений“, — сказал он. — Но оно неустойчиво. Достаточно малейшего дуновения воздуха, и карандаш упадёт».

По словам Темпла, математический анализ его команды показывает, что пространства‑времена Фридмана, лежащие в основе традиционных моделей космического расширения, неустойчивы как на малых, так и на больших масштабах в контексте Большого взрыва. Он охарактеризовал стандартное решение как исключительно неустойчивое. «Неустойчивые решения в физике и других науках считаются физически нереализуемыми, — сказал Темпл. — Вы никогда не увидите их в природе».

Эта неустойчивость может иметь далеко идущие последствия. Если Вселенная естественным образом отклоняется от поведения, предсказываемого традиционными моделями, то для объяснения ускорения её расширения может не требоваться отдельная форма энергии. Вместо этого, утверждает Темпл, ответ уже может содержаться в первоначальной теории гравитации Эйнштейна. «Неустойчивость всех пространств‑времён Фридмана по отношению к ускоренному расширению указывает на более простое и естественное объяснение ускорения Вселенной, чем тёмная энергия», — сказал он.

Почему учёные считают, что тёмная энергия вызывает расширение Вселенной

На протяжении почти трёх десятилетий тёмная энергия остаётся основным объяснением одного из самых загадочных астрономических открытий: Вселенная не просто расширяется, но скорость её расширения увеличивается.

Истоки этой концепции восходят к революционной общей теории относительности Эйнштейна, созданной в 1915 году и описывающей гравитацию как искривление пространства и времени. Первоначально Эйнштейн считал Вселенную статичной, то есть не расширяющейся и не сжимающейся. Чтобы согласовать свои уравнения с этим предположением, он ввёл дополнительный математический член, противодействующий гравитации, и назвал его «космологической постоянной».

Это представление изменилось после того, как в 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил свидетельства расширения Вселенной. Эйнштейн, как известно, впоследствии назвал введение космологической постоянной своей «величайшей ошибкой», поскольку его первоначальные уравнения без дополнительного члена могли предсказать расширяющуюся Вселенную.

Космологическая постоянная вновь приобрела большое значение в 1990-х годах, когда астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Её стали тесно связывать с тёмной энергией, названием неизвестного компонента, который, как предполагается, отвечает за это ускорение.

Современная стандартная космологическая модель опирается на модель Вселенной Фридмана, математическое описание, в котором пространство расширяется, а материя в каждый момент времени равномерно распределена по всему космосу. Это предположение о крупномасштабной однородности играет центральную роль в том, как учёные восстанавливают историю Вселенной.

Однако Темпл и его коллеги задались вопросом, может ли лежащая в основе этой модели математика оставаться устойчивой, что побудило их исследовать другие возможные объяснения наблюдаемого ускорения.

Могут ли уравнения Эйнштейна объяснить ускорение расширения Вселенной?

Первоначально исследователи рассматривали возможность того, что гигантская ударная волна могла бы объяснить расширение Вселенной и связанное с ним неожиданное ускорение.

«Наша первая идея заключалась в том, что, возможно, Вселенная расширяется из‑за ударной волны, а аномальное ускорение связано с расширяющейся волной позади фронта ударной волны, — сказал Темпл. — Затем мы поняли, что существует семейство автомодельных решений для радиационной эпохи Большого взрыва, которые могли бы описывать эту расширяющуюся волну».

В математике и физике автомодельными решениями называют закономерности, сохраняющие свою основную структуру при рассмотрении в различных масштабах. Знакомый пример — фрактал, в котором похожие формы могут появляться при последовательном увеличении или уменьшении масштаба.

Исследователи обнаружили семейство таких решений, связанных с периодом ранней Вселенной, когда доминировало излучение, игравшее важную роль в определении эволюции космоса.

Развивая свои предыдущие исследования, учёные использовали автомодельную форму уравнений Эйнштейна, чтобы представить стандартную космологическую модель в виде точки покоя, математического состояния, в котором определяющие переменные системы остаются неизменными. Такой подход позволил им исследовать, будут ли небольшие отклонения от этого состояния со временем исчезать или увеличиваться.

Их анализ создал математическую основу для оценки устойчивости стандартной модели и, в более широком смысле, пространств‑времён Фридмана в эпоху преобладания материи в ранней Вселенной, когда материя стала оказывать большее влияние на её эволюцию, чем излучение.

Математический вызов стандартной модели Большого взрыва

Полученные результаты показывают, что традиционные математические описания расширяющейся Вселенной подвержены возмущениям, которые со временем усиливаются, а не затухают.

«Мы доказали, что, как и статическая модель Эйнштейна, все пространства‑времена Фридмана неустойчивы по отношению к радиальным возмущениям на больших пространственных масштабах, — сказал Темпл. — По‑видимому, это исключает модель с космологической постоянной и холодной тёмной материей как физически приемлемое устойчивое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, независимо от наличия или отсутствия тёмной энергии».

Радиальные возмущения представляют собой изменения, зависящие от расстояния до центральной точки. В математической модели исследователей такие изменения могут приводить к отклонению поведения расширяющейся Вселенной от предсказаний стандартной модели Фридмана.

«Это означает, — добавил он, — что в общем случае Большой взрыв должен выглядеть в точности как пространство‑время Фридмана вблизи центра симметрии, но вдали от центра должны наблюдаться ускорения, отклоняющие расширение от модели Фридмана».

Иными словами, вблизи центральной области Вселенная может вести себя практически так, как предсказывает стандартная модель, тогда как на больших расстояниях характер её расширения может отличаться.

Исследователи утверждают, что эта неустойчивость может предложить естественный механизм ускоренного космического расширения без введения космологической постоянной или привлечения тёмной энергии. Их расчёты показывают, что ускорение может непосредственно следовать из самих уравнений Эйнштейна — Эйлера.

Полученные результаты представляют собой теоретический вызов стандартной космологии, а не наблюдательное доказательство того, что тёмная энергия «не нужна». Чтобы установить, способна ли альтернативная модель описывать реальную Вселенную, необходимо определить, насколько хорошо её предсказания согласуются с астрономическими наблюдениями.

Помимо вопроса о тёмной энергии, исследование затрагивает ещё более фундаментальную проблему, связанную с принципом Коперника. Названный в честь астронома Николая Коперника, который помог опровергнуть представление о том, что Земля находится в центре Солнечной системы, этот принцип утверждает, что наше положение во Вселенной не является принципиально особенным или привилегированным. Это предположение стало важной частью современной космологии и лежит в основе представления о том, что на достаточно больших масштабах Вселенная выглядит в целом одинаково при наблюдении из разных точек.

Альтернативная математическая модель исследователей вводит центр сферической симметрии, что порождает вопросы о том, где должен находиться наблюдатель, чтобы предсказания модели согласовывались с наблюдениями.

Темпл утверждает, что при оценке конкурирующих объяснений устройства Вселенной принцип Коперника необходимо применять последовательно.

«И модель с космологической постоянной и холодной тёмной материей, и сферически симметричное пространство‑время предполагают существование особого места, в котором мы должны находиться, чтобы модель была физически правдоподобной, — сказал Темпл. — Если этот принцип исключает одну модель, он должен исключать и другую».

Работа открывает ещё одно направление исследований причин ускоренного расширения Вселенной. Хотя тёмная энергия остаётся центральным компонентом господствующей космологической модели, исследователи утверждают, что математика общей теории относительности может предложить другое объяснение того же явления.

Если дальнейшие теоретические исследования и наблюдения подтвердят их интерпретацию, это может привести к существенному пересмотру представлений учёных о расширении Вселенной и математических основах теории Большого взрыва.

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку