Космологическая постоянная и энергия вакуума

Простейшей формой темной энергии является постоянная энергия пустого пространства, космологическая постоянная Эйнштейна, но ее наблюдаемое значение значительно меньше, чем предсказывает теория.

Definition

Космологическая постоянная — это постоянный член в уравнениях поля Эйнштейна, соответствующий однородной плотности энергии вакуума с отрицательным давлением; отождествляемая с темной энергией, она вызывает ускоренное расширение, и ее наблюдаемая величина на много порядков ниже наивных теоретических ожиданий.

Scope

Эта тема охватывает космологическую постоянную как член в уравнениях Эйнштейна и ее интерпретацию как плотности энергии вакуума, то, как компонент с постоянным отрицательным давлением вызывает ускорение, а также проблему космологической постоянной, обусловленную огромным расхождением между наблюдаемым значением и оценками квантовой теории поля.

Core questions

• Что такое космологическая постоянная и как она связана с энергией вакуума?
• Почему постоянная энергия вакуума вызывает ускорение?
• Почему проблема космологической постоянной так серьезна?

Key concepts

• Космологическая постоянная
• Энергия вакуума
• Отрицательное давление
• Уравнение состояния w равно минус единице
• Проблема космологической постоянной
• Антропный аргумент
• Лямбда-CDM

Key theories

Энергия вакуума как Лямбда

Квантовая теория поля предсказывает, что вакуум обладает энергией, которая гравитирует как космологическая постоянная с отрицательным давлением, предоставляя естественного кандидата на роль темной энергии в рамках общей теории относительности.

Проблема космологической постоянной

Оценки энергии вакуума из физики элементарных частиц превышают наблюдаемую плотность темной энергии на многие десятки порядков, что является расхождением, которое представляет собой одну из глубочайших нерешенных проблем, связывающих гравитацию и квантовую теорию.

Mechanisms

Космологическая постоянная соответствует плотности энергии, которая не уменьшается по мере расширения Вселенной; поскольку ее давление равно минус ее плотности энергии, второе уравнение Фридмана дает ускоренное расширение, как только она начинает доминировать, в то время как суммирование энергий нулевых колебаний квантовых полей дает значительно большее значение, чем наблюдаемое.

Clinical relevance

Космологическая постоянная является основой стандартной модели Лямбда-CDM и соответствует всем текущим данным, однако необъяснимая малость ее значения находится на пересечении космологии, физики элементарных частиц и квантовой гравитации, что мотивирует идеи от суперсимметрии до мультивселенной.

History

Эйнштейн ввел эту постоянную в 1917 году и позже сожалел об этом; после открытия расширения она была в значительной степени отложена, но Зельдович связал ее с энергией вакуума в 1960-х годах, Вайнберг обострил проблему в 1989 году, а открытие ускорения в 1998 году вернуло малое положительное значение в центр внимания.

Debates

Почему Лямбда так мала, но не равна нулю?

Объяснение крошечного, ненулевого значения космологической постоянной привело к предложениям, начиная от неизвестных механизмов компенсации и заканчивая антропным отбором в мультивселенной, ни одно из которых не является установленным, оставляя проблему открытой.

Key figures

• Albert Einstein
• Steven Weinberg
• Yakov Zeldovich
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• weinberg1989

Frequently asked questions

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

Космологическая постоянная — это простейшая возможная форма темной энергии, постоянная энергия вакуума; темная энергия — это более широкий термин, который также включает динамические альтернативы, поэтому постоянная является одной конкретной, в настоящее время предпочтительной, моделью темной энергии.

Почему проблема космологической постоянной называется худшим предсказанием в физике?

Потому что наивные оценки энергии вакуума в квантовой теории поля превышают наблюдаемое значение примерно на 120 порядков, что является беспрецедентным расхождением между теорией и наблюдением, которое пока не разрешено никаким принятым механизмом.