Виключити темну енергію з рівняння: математики кидають виклик стандартній моделі Всесвіту
Математики ставлять під сумнів загальноприйняту теорію про те, що за прискорене розширення нашого Всесвіту відповідає таємнича темна енергія. У новому дослідженні, опублікованому в авторитетному науковому журналі Proceedings of the Royal Society A, науковці з Каліфорнійського університету в Девісі надали математичний доказ того, що нестабільності, притаманні рівнянням Айнштайна-Ейлера, роблять поточну модель Всесвіту, що розширюється, просто нежиттєздатною.
Рівняння Айнштайна-Ейлера є унікальним поєднанням загальної теорії відносності та гідродинаміки. Їх традиційно використовують для моделювання масштабних астрономічних явищ, таких як еволюція галактик, поведінка чорних дір та загальне космічне розширення. Проте нові розрахунки безпосередньо атакують модель Лямбда-CDM — чинну стандартну космологічну модель Великого вибуху.
Ефект «олівця на кінчику»: чому стандартна модель нестабільна
Провідний автор дослідження, заслужений професор математики у відставці Блейк Темпл, порівняв сучасну космологічну модель із олівцем, який намагаються поставити вертикально на його гостре вістря.
«Коли олівець стоїть на кінчику, всі сили перебувають у рівновазі, тому суто технічно це є "рішенням рівнянь", — пояснює професор Темпл. — Але це рішення абсолютно нестабільне. Найменший подих вітру — і олівець падає».
Математичний аналіз дослідників доводить, що простори Фрідмана — математичні моделі, які наразі керують уявленнями про космічне розширення — є критично нестабільними як на малих, так і на великих масштабах довжини безпосередньо в момент Великого вибуху. Це робить чинну модель найменш стабільним рішенням з усіх можливих у теоретичній фізиці.
За словами Темпла, нестабільні рішення в науці зазвичай вважаються нефізичними, оскільки їх неможливо спостерігати в реальній природі. Ця фундаментальна нестабільність натякає на те, що існує набагато простіше й природніше пояснення прискореного розширення Всесвіту, яке повністю лежить у межах оригінальної теорії Альберта Айнштайна і не потребує вигадування нових сутностей на кшталт темної енергії.
Історія питання: як з'явилася та повернулася темна енергія
Майже тридцять років тому концепцію темної енергії запропонували як гіпотетичну силу, що протидіє гравітації та змушує галактики розлітатися все швидше. Ця ідея корінням сягає оригінальних рівнянь загальної теорії відносності Айнштайна 1915 року.
Свого часу, прагнучи описати статичний Всесвіт, Айнштайн штучно ввів у свої розрахунки антигравітаційний фактор — космологічну константу. Коли у 1929 році астроном Едвін Габбл наочно довів, що Всесвіт насправді розширюється, Айнштайн назвав цю константу своєю «найбільшою помилкою», адже без неї він міг би передбачити динаміку космосу суто математично.
Проте у 1990-х роках космологічну константу повернули в науковий обіг, ототожнивши її з темною енергією, щоб пояснити відкрите астрономами прискорення розширення. Сучасні моделі спираються на Всесвіт Фрідмана, де вся матерія хоч і розлітається, але в кожен фіксований момент часу розподілена у просторі абсолютно рівномірно.
Альтернатива від математиків та руйнування старих догм
Професору Темплу та його колегам математичні підрахунки стандартної моделі здалися суперечливими, що й змусило їх шукати інші фізичні механізми.
«Нашою першою гіпотезою було те, що Всесвіт розширюється через потужну ударну хвилю, а аномальне прискорення — це насправді хвиля розширення, що рухається позаду неї, — ділиться Темпл. — Згодом ми виявили ціле сімейство автомодельних рішень для епохи випромінювання Великого вибуху, які ідеально моделюють таку хвилю розширення».
Автомодельні рівняння описують процеси, які зберігають свою структуру та патерни незалежно від масштабів вимірювання. У своїй свіжій праці математики використали власну автомодельну версію рівнянь Айнштайна, щоб детально проаналізувати стабільність просторів Фрідмана в епоху домінування матерії після Великого вибуху.
Розрахунки показали, що всі простори Фрідмана є нестабільними до радіальних збурень на великих відстанях. Це фактично позбавляє модель Лямбда-CDM статусу життєздатного рішення рівнянь загальної теорії відносності — причому як із залученням темної енергії, так і без неї.
Згідно з новими висновками, Великий вибух загалом мав би виглядати як класичний простір Фрідмана поблизу умовного центру симетрії, проте на значній відстані від цього центру спостерігачі фіксуватимуть чіткі прискорення, що суперечать стандартній моделі.
Під загрозою навіть принцип Коперника
Нова математична модель доводить, що прискорене розширення космосу є природним наслідком базових рівнянь Айнштайна-Ейлера, без жодних додаткових штучних констант. Проте це відкриття змушує переглянути ще одну фундаментальну догму — Коперниканський принцип, який стверджує, що Земля і людство не займають ніякого особливого чи привілейованого місця у Всесвіті.
Як зазначає Блейк Темпл, і модель Лямбда-CDM, і запропонований сферично-симетричний простір-час вимагають наявності певної особливої точки розташування спостерігача, щоб модель залишалася фізично коректною. Відтак, якщо Коперниканський принцип відкидає одну з цих моделей, він автоматично має відкинути й іншу, змушуючи космологів повністю перебудувати логіку сприйняття нашого місця у вимірах простору і часу.
Це дослідження отримало грантову підтримку від Дослідницької ради з інженерних та фізичних наук Великої Британії (EPSRC), а також у межах програми SQuaREs Американського інституту математики.