Космологическую постоянную объяснили через квантовый эффект Холла

Согласно квантовой теории поля, значение космологической постоянной должно быть практически бесконечным, но та величина, которую наблюдают ученые, составляет лишь крошечную долю от этого предсказания. Специалисты Университета Брауна предложили новое, довольно провокационное объяснение этого противоречия.

Ученые показали, что математика, лежащая в основе простейшей формулировки квантовой гравитации, поразительно похожа на математику квантового эффекта Холла — экзотического состояния материи, в котором электричество течет с необычайной точностью. В этом состоянии электрическая проводимость остается стабильной независимо от любых дефектов в проводящем материале благодаря топологии системы — математической «форме» квантового состояния.

«Мы показали, что если пространство-время имеет эту нетривиальную топологию, то такая топология решает проблему космологической постоянной, — говорит соавтор исследования, профессор физики в Университете Брауна Стефон Александер. — Все квантовые возмущения, которые должны были бы взорвать ее значение, становятся инертными благодаря этой топологии, которая сохраняет константу стабильной».

Космологическая постоянная впервые появилась как член уравнений, описывающих общую теорию относительности. Эйнштейн был вынужден ввести ее, чтобы сделать свою математическую вселенную стабильной. Она представляла собой отталкивающую силу, присутствующую в вакууме пространства, которая противодействовала силе гравитации и предотвращала коллапс Вселенной.

Однако в 1929 году космологической постоянной был нанесен серьезный удар. Астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная не так стабильна, как предполагал Эйнштейн: вместо того чтобы оставаться в статичном состоянии, она расширялась. Это открытие позволило Эйнштейну исключить стабилизирующий член из своих уравнений, что он и сделал с некоторым облегчением. Долгое время он считал его «некрасивым» и, как говорят, называл его своей «самой большой ошибкой».

Но в 1998 году ученые обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется, и константа снова стала необходимой. И «уродливый» термин Эйнштейна не просто вернулся, он стал ещё уродливее, чем когда-либо. Согласно квантовой теории поля, пустое пространство кипит элементарными частицами, постоянно возникающими и исчезающими. Это должно делать вакуумную энергию космоса практически бесконечной. Но наблюдаемое значение совсем не бесконечно — иначе Вселенная расширялась бы слишком быстро для формирования галактик и планет.

Александер годами изучал теорию Черна-Саймонса-Кодамы (CSK) — предполагаемое состояние квантовой гравитации, вытекающее из квантовой теории поля. Он заметил математическое сходство с квантовым эффектом Холла и обратился к коллеге Аарону Хуэй, специалисту по топологическим системам.

В квантовом эффекте Холла при очень низких температурах и сильных магнитных полях электроны входят в высококоррелированное состояние. Математическая структура этого состояния — его топология — фиксирует значения напряжения Холла с невероятной точностью, независимо от материала или дефектов.

Ученые показали, что аналогичная топологическая защита присутствует в уравнениях CSK-состояния. Как топология электронных состояний фиксирует напряжение Холла, так топология самого пространства-времени фиксирует космологическую константу даже перед лицом квантовых флуктуаций.

Если дальнейшие исследования подтвердят, что топологическая защита космологической постоянной устойчиво реализуется в более реалистичных моделях, это укрепит позиции CSK‑состояния как серьезного кандидата на давно искомую квантовую теорию гравитации и, возможно, поможет связать квантовую физику с космологией без существующих на сегодняшний день несостыковок.

Ранее ученые обнаружили принципиально новое квантовое состояние материи.