Mokslininkai atrado stebinantį ryšį tarp kvantinės gravitacijos ir egzotiškos kvantinės materijos būsenos, kuri galėtų paaiškinti, kodėl Visata nesiplečia labai greitai. Tyrimas rodo, kad pati erdvėlaikio forma gali apsaugoti kosmologinę konstantą nuo trikdančių kvantinių efektų.
Stebinantis ryšys tarp kvantinės gravitacijos ir keisto kvantinio reiškinio gali atskleisti, kodėl Visatos plėtimasis išlieka stebėtinai taisyklingas. Šaltinis: AI/ScienceDaily.com
Viena didžiausių neišspręstų fizikos problemų sukasi apie skaičių, vadinamą kosmologine konstanta. Ši vertė apibūdina energiją, atsakingą už Visatos greitėjantį plėtimąsi. Ji taip pat yra pagrindinio konflikto tarp dviejų sėkmingiausių mokslo teorijų centre.
Remiantis kvantinio lauko teorija (quantum field theory, QFT), sistema, apibūdinančia elementariąsias daleles ir jų sąveiką, tuščia erdvė turėtų būti užpildyta kvantinėmis fliuktuacijomis, kurios sukuria milžinišką energijos kiekį. Iš tiesų, skaičiavimai rodo, kad kosmologinė konstanta turėtų būti nepaprastai didelė, praktiškai artėjanti prie begalybės.
Vis dėlto stebėjimai rodo kai ką labai skirtingo. Tikroji kosmologinės konstantos vertė yra neįtikėtinai maža, palyginti su tuo, ką prognozuoja teorija.
Dabar Brauno universiteto tyrėjai pasiūlė galimą paaiškinimą.
Jų darbas rodo, kad matematinė erdvėlaikio ypatybė gali užkirsti kelią kosmologinei konstantai išaugti iki milžiniškų verčių, kurių tikimasi iš kvantinės fizikos. Idėja remiasi netikėtu ryšiu tarp kvantinės gravitacijos ir kvantinio Holo efekto – nepaprasto reiškinio kondensuotųjų medžiagų fizikoje.
Stebinantis ryšys tarp kvantinės gravitacijos ir kvantinio Holo efekto
Komanda nustatė, kad matematika, kuria grindžiamas paprastas požiūris į kvantinę gravitaciją, labai panaši į matematiką, apibūdinančią kvantinį Holo efektą – neįprastą materijos būseną, kurioje elektrinis laidumas įgauna labai tikslias vertes.
Kvantiniame Holo efekte šios vertės išlieka fiksuotos net tada, kai laidi medžiaga turi defektų. Stabilumas kyla iš topologijos – matematikos šakos, nagrinėjančios sistemos pagrindinę „formą“ arba struktūrą.
Tyrėjai teigia, kad panašaus tipo topologija atsiranda ir Černo-Simonso-Kodamos būsenoje – siūlomoje kvantinės gravitacijos pagrindinėje būsenoje.
„Mes parodėme, kad jei erdvėlaikis turi šią ne trivialią topologiją, tai ji išsprendžia vieną iš sunkiausių kosmologinės konstantos problemų“, – teigė tyrimo bendraautoris Stephonas Alexanderis, Brauno universiteto fizikos profesorius. „Visos kvantinės perturbacijos, kurios turėtų padidinti kosmologinės konstantos vertę, dėl šios topologijos tampa inertiškomis, nes konstantos vertė išlieka stabili.“
Tyrimas, kurio bendraautoriai buvo Alexanderis ir Brauno universiteto Teorinės fizikos centro kolegos Aaronas Hui ir Heliudsonas Bernardo, buvo paskelbtas žurnale „Physical Review Letters“.
Einšteino „bjaurioji“ kosmologinė konstanta
Kosmologinė konstanta pirmą kartą pasirodė Alberto Einšteino bendrojo reliatyvumo lygtyse – jo erdvės, laiko ir gravitacijos teorijoje.
Tuo metu Einšteinas tikėjo, kad Visata yra statiška. Kad jo lygtys nenumatytų Visatos griūties, jis įvedė kosmologinę konstantą kaip savotišką stūmos efektą tuščioje erdvėje, kuris atsveria gravitaciją.
Ši idėja atrodė nereikalinga po to, kai Edvinas Hablas 1929 m. atrado, kad Visata plečiasi. Kadangi kosmosas vis dėlto nebuvo statiškas, Einšteinas pašalino ją iš savo lygčių. Pranešama, kad jam ši konstanta nepatiko, o vėliau jis ją pavadino savo „didžiausiu paklydimu“.
Dešimtmečius kosmologinė konstanta iš esmės buvo pamiršta.
Tada, 1998 m., astronomai atrado kai ką stebinančio: Visatos plėtimasis greitėja. Užuot išnykusi iš istorijos, kosmologinė konstanta staiga vėl tapo esminė, nes ji galėjo paaiškinti šį greitėjantį plėtimąsi.
Kosmologinės konstantos problema
Kosmologinės konstantos atgimimas sukėlė rimtą problemą.
Tais metais, kai konstanta prarado savo populiarumą, kvantinio lauko teorija tapo viena sėkmingiausių teorijų moksle ir standartinio dalelių fizikos modelio kertiniu akmeniu.
QFT apibūdina tuščią erdvę kaip bet ką, tik ne tuščią. Vietoj to, ji užpildyta dalelėmis, kurios nuolat atsiranda ir išnyksta dėl kvantinių fluktuacijų.
Visa ši veikla turėtų lemti didžiulį vakuumo energijos kiekį. Ta vakuumo energija yra susijusi su kosmologine konstanta, o tai reiškia, kad konstanta turėtų būti nepaprastai didelė.
Tačiau stebėjimai rodo, kad taip nėra.
Jei kosmologinė konstanta būtų tokia didelė, kaip prognozuoja QFT, Visata būtų taip greitai išsiplėtusi, kad galaktikos, žvaigždės, planetos ir galiausiai gyvybė niekada nebūtų galėję susiformuoti.
Teorijos ir stebėjimų neatitikimas išlieka viena labiausiai gluminančių šiuolaikinės fizikos problemų. Dėlionė dar labiau išryškėja, nes eksperimentai ne kartą patvirtino nepaprastą kvantinio lauko teorijos tikslumą kituose kontekstuose.
Topologinis sprendimas
Aleksandras daugelį metų studijavo Černo-Simonso-Kodamos (Chern-Simons-Kodama, CSK) teoriją – siūlomą kvantinės gravitacijos būseną, kylančią iš kvantinio lauko teorijos.
Fizikams vis dar trūksta išsamios kvantinės gravitacijos teorijos, kuri aprašytų gravitaciją mažiausiu masteliu. Pasak Aleksandro, CSK metodas yra viena iš paprastesnių galimybių.
„Tai išties konservatyvus požiūris į gravitacijos kvantavimą“, – sakė jis. „Šį metodą naudojo tokie žmonės kaip Diracas, Šrėdingeris ir Vileris. Tai tiesiog geras, senamadiškas kvantavimas.“
Aleksandras jau seniai pastebėjo panašumus tarp CSK teorijos ir kvantinio Holo efekto matematikos. Norėdamas geriau suprasti šiuos ryšius, jis bendradarbiavo su Hui, Brauno universiteto docentu, kuris tyrinėja topologines sistemas.
„Tai yra Brauno teorinės fizikos centro grožis“, – sakė Aleksandras. „Norime būti vieta, kurioje susimaišo daugybė požiūrių, ir tai esame mes, praktikuojantys tai, ką skelbiame – kosmologas, glaudžiai bendradarbiaujantis su kondensuotosios materijos teoretiku.“
Kaip topologija sukuria stabilumą
Tyrėjai nustatė, kad kosmologinė konstanta CSK sistemoje, atrodo, naudojasi tokia pačia topologine apsauga, kaip ir kvantinis Holo efektas.
Kvantinis Holo efektas atsiranda, kai elektra teka per itin plonas medžiagas, veikiamas magnetinio lauko.
Įsivaizduokite ploną stačiakampę metalo juostelę, kuria teka elektros srovė. Kai veikia magnetinis laukas, statmenai srovei susidaro antra įtampa. Šis efektas sukuria vadinamąją Holo įtampą (pavadintą ją atradusio Edwino Hallo vardu).
Įprastomis sąlygomis Holo įtampa kinta sklandžiai, didėjant magnetiniam laukui.
Tačiau esant itin žemai temperatūrai ir labai stipriems magnetiniams laukams, elgesys smarkiai pasikeičia. Užuot sklandžiai kitusi, Holo įtampa didėja skirtingais žingsniais. Įdomu tai, kad šios vertės išlieka vienodos, nepriklausomai nuo naudojamos medžiagos ar jos trūkumų.
Šis patikimumas kyla iš topologijos.
Šiomis ekstremaliomis sąlygomis elektronai elgiasi kolektyviai ir patenka į labai koreliuojančią kvantinę būseną. Šios būsenos topologija fiksuoja žingsnių ir plokštumų vertes, todėl jos yra atsparios trikdžiams ir defektams.
Browno universiteto tyrėjai teigia, kad analogiškas procesas vyksta ir CSK kvantinės gravitacijos aprašyme.
Kaip topologija fiksuoja Holo įtampą ties konkrečiomis vertėmis, erdvėlaikio topologija galėtų fiksuoti kosmologinę konstantą ties stabiliomis vertėmis, apsaugodama ją nuo kvantinių svyravimų, kurie kitaip ją daug padidintų.
„Mes nustatėme, kad šis elektrinio laidumo kvantavimas kvantinėje Hallo konstantoje yra analogiškas kosmologinei konstantai“, – sakė Hui. „Ji taip pat tampa kvantuojama dėl topologinių priežasčių. Pasirodo, teorijoje yra apribojimų, kurie verčia kosmologinę konstantą įgauti tam tikras leidžiamas kvantuotas vertes.“
Nauja kvantinės gravitacijos kryptis
Aleksandras pabrėžia, kad reikia daug daugiau padirbėti, kol bus galima iki galo nustatyti topologinį kosmologinės konstantos paaiškinimą.
Vis dėlto jis mano, kad šie atradimai yra svarbus žingsnis sprendžiant gravitacinę problemos pusę. Šis darbas taip pat sustiprina argumentus, kad CSK būsena yra rimta kandidatė į būsimą kvantinės gravitacijos teoriją.
„Mes paėmėme kažką seno, tai yra šį konservatyvų, kanoninį požiūrį į kvantinę gravitaciją, ir atradome kažką naujo, kas egzistavo visą laiką“, – sakė Aleksandras. „Dabar dirbame ties platesniu šio reiškinio veikimo paveikslu.“
Stephon Alexander, Heliudson Bernardo, Aaron Hui. Cosmological Constant from Quantum Gravitational θ Vacua and the Gravitational Hall Effect. Physical Review Letters, 2026; 136 (15) DOI: 10.1103/rzz5-p4f4
Visata gali baigtis „didžiuoju susitraukimu“, rodo nauji tamsiosios energijos duomenys
Rekordinė gravitacinė banga padeda patikrinti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją