Космологическая постоянная

Космологическая постоянная — это дополнительный член в уравнениях поля Эйнштейна, пропорциональный метрике, который ведёт себя как однородная плотность энергии пустого пространства и вызывает ускоренное космическое расширение.

Definition

Космологическая постоянная, обозначаемая как Лямбда, — это постоянный член, добавляемый к уравнениям поля Эйнштейна, который вносит однородную плотность энергии и отрицательное давление равной величины в вакуум, что эквивалентно простейшей форме тёмной энергии.

Scope

Эта тема охватывает алгебраическую форму члена космологической постоянной и её согласованность с сохранением энергии-импульса, её интерпретацию как энергии вакуума с отрицательным давлением, первоначальную мотивацию Эйнштейна для статической Вселенной и его последующий отказ от этой идеи, её возрождение для объяснения наблюдаемого ускоренного космического расширения, а также проблему космологической постоянной, связанную с её огромным расхождением с оценками квантовой теории поля.

Core questions

• Почему постоянный член может быть добавлен к уравнениям Эйнштейна без нарушения законов сохранения?
• Как космологическая постоянная вызывает ускоренное, а не замедленное расширение?
• Почему наблюдаемое значение намного меньше, чем предсказывает квантовая теория поля?

Key concepts

• Член Лямбда
• Плотность энергии вакуума
• Отрицательное давление
• Ускоренное расширение
• Тёмная энергия
• Проблема космологической постоянной

Key theories

Интерпретация энергии вакуума

Космологическая постоянная эквивалентна однородной плотности энергии вакуума с давлением, равным минус этой плотности, поэтому она создаёт отталкивающий гравитационный эффект, который ускоряет расширение Вселенной.

Проблема космологической постоянной

Квантовая теория поля предсказывает энергию вакуума на многие десятки порядков величины больше, чем крошечное наблюдаемое значение, что является необъяснимым расхождением и одной из глубочайших загадок, связывающих гравитацию и квантовую физику.

Clinical relevance

Наблюдения далёких сверхновых, космического микроволнового фона и крупномасштабной структуры согласуются с небольшой положительной космологической постоянной, составляющей большую часть современного энергетического бюджета Вселенной; является ли она истинной константой или динамической тёмной энергией — центральный вопрос наблюдательной космологии.

History

Эйнштейн ввёл Лямбду в 1917 году для получения статической Вселенной, затем отказался от неё после открытия Хабблом космического расширения, по сообщениям, назвав это своей самой большой ошибкой; она решительно вернулась в 1998 году, когда исследования сверхновых показали, что расширение ускоряется, возродив константу как ведущую модель тёмной энергии.

Debates

Постоянная против динамической тёмной энергии

Является ли космическое ускорение вызванным истинной космологической постоянной или медленно эволюционирующим полем (квинтэссенцией), остаётся открытым вопросом с точки зрения наблюдений; их различение требует точного измерения того, как плотность тёмной энергии изменяется, если вообще изменяется, со временем.

Key figures

• Albert Einstein
• Willem de Sitter
• Sean Carroll

Seminal works

• carroll2001
• carroll2004

Frequently asked questions

Является ли космологическая постоянная тем же самым, что и тёмная энергия?

Космологическая постоянная — это простейшая возможная форма тёмной энергии, энергия вакуума с фиксированной плотностью; «тёмная энергия» — это более широкий термин, который также включает динамические модели, поэтому все космологические постоянные являются тёмной энергией, но не всякая тёмная энергия обязательно является постоянной.

Почему добавление константы когда-то называли ошибкой?

Эйнштейн добавил её, чтобы принудительно получить статическую Вселенную, что было преобладающим предположением в то время; если бы он доверял немодифицированным уравнениям, он мог бы предсказать космическое расширение до того, как оно было обнаружено, поэтому он позже сожалел об этом шаге, хотя этот член всё же оказался реальным.