Принцип причинности можно совместить с нелокальной теорией гравитации

Андрей Барвинский из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предложил принципиально новый подход к обоснованию космологической постоянной для одной из модификаций теорий гравитации.

В конце прошлого века, после постулирования ускоряющегося расширения Вселенной, в лексикон учёных прочно вошло понятие «тёмная энергия». Именно тёмная энергия противостоит гравитации во Вселенной и не дает ей не только сжаться, но даже замедлить текущее расширение. Согласно доминирующим сейчас взглядам, тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной, что равнозначно утверждению о наличии у вакуума ненулевой энергии.

Сейчас пространство-время находится на резко расширяющейся нижней части колокола: скорость расширения Вселенной растёт опережающими темпами. (Иллюстрация NASA.)

Вот только большинство нынешних квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической постоянной. А чтобы оно было совместимо с наблюдаемым ускорением расширения Вселенной, эта величина должна быть очень малой по сравнению с собственным масштабом энергии гравитации (который следует из величины гравитационного притяжения). Налицо противоречие: чтобы объяснить расширение, вводится космологическая постоянная, но она получается настолько большой, что требует какой-то дополнительной сущности для своего объяснения. Это мало кого из физиков устраивает, что заставляет модифицировать теорию гравитации таким образом, чтобы избежать появления этой «противоестественной» проблемы.

Над одной из таких теорий работает Андрей Барвинский. Это нелокальная теория гравитации — существенная модификация общей теории относительности. «Её логика заключается в построении такой модели Вселенной, в которой тёмная энергия могла бы реализовываться при абсолютно любом значении её плотности», — поясняет учёный, предлагающий не закладывать конкретное значение космологической постоянной, а считать, что модель может существовать при любом значении этого параметра. К примеру, постоянная может возникать как параметр начального состояния Вселенной, и уже потом можно независимо пытаться выяснять, почему эти начальные данные были такими, что породили эту иерархию: 60 порядков между квантовой гравитацией и космологическим членом.

Почему «нелокальная»? Локальные теории устанавливают соотношения между значениями поля и их производными в одной и той же точке пространства-времени; такова ситуация в доминирующих физических теориях. В нелокальной же теории эти уравнения таковы, что на значение поля в данной точке пространства-времени влияют изменения в любой его же точке и взаимодействие носит дальнодействующий характер.

Идея может показаться необычной: получается, что на поле могут действовать и его изменения в будущем. Сегодняшняя физика не любит гипотезы, в которых на прошлое может воздействовать будущее, ибо это ведёт к нарушению принципа причинности. Как оставить теорию нелокальной, но при этом сохранить причинное поведение?

Техника, которая позволяет непротиворечивым образом построить такую нелокальную теорию поля, называется техникой Швингера — Келдыша, замечает исследователь. Она гарантирует, что, хотя уравнения для средних полей в квантовой теории и являются нелокальными, их нелокальность носит запаздывающий характер. То есть на физическое поведение в данной пространственно-временной точке могут воздействовать только события, которые происходят в прошлом относительно этой точки».

Таким образом, эта техника исключает влияние будущего на прошлое и сохраняет в целости принцип причинности. Но как быть с расхождениями космологической постоянной и предсказаний её значений, исходя из теорий квантовой гравитации? Как полагает учёный, хотя космологическая постоянная и мала в сравнении с квантовым гравитационным масштабом, порядок её величины примерно такой же, как и порядок нынешней средней плотности вещества во Вселенной. Иными словами, серьёзной проблемы в таком расхождении вроде бы не остаётся.

С препринтом исследования можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам ФИАН-информ.