Путь к новой эффективной теории гравитации

Космологическая постоянная как динамическая переменная.

Историческое введение Эйнштейном космологической постоянной в уравнения гравитации было отмечено внутренним противоречием. Хотя сам ученый изначально рассматривал ее как статичный параметр, фиксирующий стационарность Вселенной, последующие открытия, и в первую очередь — обнаружение ускоренного расширения в 1998 году, — указали на глубокую проблему. Эта константа, будучи жестко зафиксированной в уравнениях, не может отражать динамическую природу космологического ускорения. Еще более серьезным противоречием стала проблема расхождения между наблюдаемой плотностью вакуума и ее теоретической оценкой.  Нужно найти путь к пересмотру статуса космологической постоянной и рассмотрению ее как переменной величины, зависящей от глобальных свойств и эволюции Вселенной.

Одним из естественных обобщений является замена константы на динамическое скалярное поле с пологим потенциалом, такую модель называют квинтэссенцией. В этом случае ускоренное расширение возникает как следствие медленного скатывания поля к минимуму своей энергии. Однако такой подход не решает проблему начальных условий и тонкой настройки параметров. Более перспективным выглядит путь, при котором эффективная космологическая постоянная возникает как следствие поляризации квантового вакуума в искривленном пространстве-времени. В этой картине уравнения гравитации включают не только тензор энергии-импульса обычной материи, но и ренормализованный вклад вакуумных флуктуаций. Этот вклад может быть пропорционален скаляру кривизны и его производным, что приводит к появлению в уравнениях дополнительных членов, играющих роль динамической космологической «постоянной». Интересно, что наблюдаемое значение постоянной Хаббла примерно соответствует массовому масштабу ультралегкого бозона, что может указывать на его возможную связь с физикой темной энергии.

Важнейшим аспектом, который долгое время игнорировался в космологии, является учет неоднородностей распределения материи. Согласование уравнений гравитации по всему объему Вселенной — нетривиальная математическая задача. Флуктуации плотности и скорости вещества, а также связанные с ними сдвиговые деформации метрики, порождают так называемую обратную реакцию. Обратная реакция проявляется в виде эффективного добавочного давления, которое может влиять на темп расширения Вселенной. Современные суперкомпьютерные симуляции показывают, что вклад этого эффекта хотя и недостаточен для полного объяснения ускорения, но является значительным систематическим сдвигом, который необходимо учитывать при точном определении космологических параметров. Этот подход позволяет рассматривать наблюдаемое ускорение не как глобальное свойство Вселенной в целом, а как проявление сложной динамики внутри причинного горизонта, то есть как «подгоризонтную эволюцию».

Другим глубоким направлением является связь гравитации с термодинамикой. В рамках голографического принципа, устанавливающего связь между гравитацией в объеме и термодинамикой на его границе, возникает энтропийное давление. Это давление, связанное с температурой космологического горизонта, может естественным образом приводить к фазе ускоренного расширения без привлечения фундаментальной космологической постоянной. В состоянии равновесия система асимптотически приближается к режиму де Ситтера, для которого давление вакуума в точности равно минус его плотности энергии. Таким образом, ускорение может быть следствием энтропийного баланса, а не свойством вакуума как такового.

Эти теоретические построения перестают быть спекуляцией благодаря развитию экспериментальных методов. Атомные интерферометры, криогенные гравиметры и прецизионные лазерные дальномеры позволяют проверять предсказания новых моделей на лабораторных и околоземных масштабах. Высокая чувствительность этих установок к малым ускорениям открывает путь к обнаружению экранированных полей и сил юкавского типа, которые могут быть связаны с природой темной энергии. Уже сейчас достигнуты пределы, позволяющие зондировать область параметров, соответствующую массам переносчиков взаимодействия порядка десяти в минус четвертой степени электронвольт. Перспективные проекты с увеличенной базой измерений, вплоть до космических, позволят опуститься до масштабов десяти в минус шестой степени электронвольт, что вплотную приблизит нас к проверке гипотезы о сверхлегких полях.

Синтез этих идей — динамического вакуума, обратной реакции неоднородностей и энтропийной гравитации — ведет к построению самосогласованной эффективной теории. В ее рамках уравнения Эйнштейна дополняются поправками, которые не вводятся произвольно, а выражаются через фундаментальные параметры полей и статистические характеристики распределения материи. Наблюдаемые космологические величины, такие как постоянная Хаббла, станут предсказаниями теории, а не подгоночными параметрами. Характерный энергетический масштаб этой эффективной теории оказывается порядка десяти в минус третьей степени электронвольт, что соответствует точности современных космологических и лабораторных экспериментов, открывая возможность для окончательной проверки этой парадигмы в будущем.