Без тёмной энергии: уравнения Эйнштейна объясняют структуру Вселенной

Группа математиков поставила под удар один из фундаментальных столпов современной науки — концепцию о том, что ускорение расширения космоса обусловлено воздействием тёмной энергии.

Научная публикация в журнале Proceedings of the Royal Society A демонстрирует результаты расчетов экспертов из Калифорнийского университета в Дейвисе. По их утверждению, стандартная модель расширяющейся Вселенной изначально содержит критическую неустойчивость. Полученные выкладки свидетельствуют, что космическое ускорение может быть прямым следствием уравнений Эйнштейна, что потенциально избавляет физику от необходимости вводить гипотетическую тёмную энергию.

Под удар попадает лямбда-CDM модель, которая объединяет космологическую постоянную и холодную тёмную материю, служащую базисом для описания эволюции Вселенной. Авторы проанализировали связку уравнений Эйнштейна и Эйлера, которая описывает гравитацию через призму динамики сплошных сред. Этот математический аппарат применяется для изучения самых разных объектов — от компактных черных дыр до масштабов всего мироздания.

Скрытая нестабильность мироздания

Чтобы пояснить суть открытия, ведущий автор исследования Блейк Темпл, заслуженный профессор математики, приводит простую ассоциацию с карандашом, балансирующим на самом острие.

«В таком положении все векторы сил уравновешены, поэтому теоретически это решение уравнений, — поясняет он. — Однако система предельно хрупка. Малейшее колебание воздуха незамедлительно опрокинет карандаш».

По словам ученого, проведенный анализ доказал, что метрики Фридмана, описывающие расширение космоса, обладают глубокой нестабильностью как на микроуровне, так и на сверхмакроскопических расстояниях эпохи Большого взрыва. Профессор подчеркивает: подобные решения крайне нестабильны, а физические законы устроены так, что неустойчивые состояния просто не реализуются в реальном мире.

Подобный изъян меняет многое. Если Вселенная по своей природе способна отклоняться от ранее рассчитанных траекторий, нам не нужна экзотическая субстанция для объяснения разбегания галактик. Источник кроется в классической гравитационной теории самого Эйнштейна. Как отмечает Темпл, именно эта всеобщая неустойчивость предлагает гораздо более простое и изящное объяснение динамики космоса.

Почему наука пришла к идее тёмной энергии

На протяжении почти тридцати лет тёмная энергия оставалась доминирующей гипотезой, объясняющей удивительный факт: Вселенная не просто увеличивается в размерах, но делает это с постоянно нарастающей скоростью.

Фундамент заложила общая теория относительности 1915 года, где гравитация трактуется как искривление четырехмерного пространства-времени. Сам Альберт Эйнштейн изначально полагал, что Вселенная статична. Чтобы удержать уравнения от предсказания ее динамики, он ввел особый член — космологическую постоянную, которая выступала противовесом гравитационному притяжению.

Ситуация изменилась в 1929 году после триумфального открытия Эдвина Хаббла, доказавшего расширение мира. Впоследствии Эйнштейн назвал добавление космологической константы своим главным заблуждением, ведь его первоначальные формулы отлично справлялись с задачей без всяких поправок.

Интерес к постоянной вспыхнул с новой силой в девяностые годы прошлого века, когда астрономы зафиксировали ускорение космического расширения. Тогда этот фактор закрепили за тёмной энергией — условным обозначением неизвестного агента, разгоняющего галактики.

Современные космологические концепции базируются на геометрии Фридмана, предполагающей равномерное распределение материи по пространству. Такая масштабная однородность стала ключевым допущением при реконструкции прошлого Вселенной.

Тем не менее, команда Темпла решила проверить прочность математического фундамента этой парадоксимальной конструкции.

Могут ли формулы общей теории относительности объяснить ускорение?

Изначально исследователи тестировали гипотезу о том, что толчком к ускоренному расширению могла послужить реликтовая ударная волна.

«Сначала мы думали, что всё дело в мощной волне и процессах, протекающих позади ее фронта, — вспоминает Темпл. — Позже мы выявили целое семейство автомодельных решений, применимых к радиационной фазе Большого взрыва».

В точных науках под автомодельностью понимают инвариантность структуры при изменении масштаба — классическим примером тут служат фрактальные паттерны.

Ученым удалось обнаружить подобные закономерности, характерные для ранней стадии развития Вселенной, когда доминировало излучение, определявшее всю дальнейшую эволюцию.

Применив этот подход к уравнениям Эйнштейна, исследователи свели стандартную модель к точке математического равновесия. Это позволило отследить, как малейшие возмущения ведут себя со временем — затухают они или лавинообразно нарастают.

Математический вызов традиционной космологии

Итоги работы показывают, что классические описания космоса уязвимы к внешним флуктуациям, которые со временем не сглаживаются, а лишь усиливаются.

«Мы строго доказали, что пространства Фридмана неизбежно страдают от радиальной неустойчивости на больших дистанциях, подобно статичной модели самого Эйнштейна, — резюмирует Темпл. — Это ставит крест на стандартной космологической модели как на физически устойчивом решении гравитационных уравнений, независимо от присутствия тёмной энергии».

Радиальные возмущения представляют собой колебания плотности относительно центральной зоны. В рамках новой модели подобные отклонения приводят к тому, что реальное поведение космоса начинает расходиться с прогнозами стандартной теории.

Иными словами, вблизи условного центра Вселенная выглядит привычным образом, тогда как периферийные области демонстрируют ускоренное движение, выбивающееся из общепринятых шаблонов.

По мнению авторов, именно эта внутренняя нестабильность служит естественным драйвером космического ускорения без привлечения дополнительных сущностей. Полученные цифры выводятся напрямую из базового аппарата общей теории относительности.

Разумеется, речь пока идет о теоретическом переосмыслении, а не об окончательном наблюдательном вердикте. Чтобы новая концепция заслужила признание, ее предсказания должны безупречно сойтись с астрономическими данными.

Кроме того, исследование затрагивает тонкий вопрос так называемого принципа Коперника, согласно которому земляне не занимают никакого уникального места в мироздании. На этом допущении строится вся современная астрофизика, утверждающая однородность космоса на больших расстояниях.

Поскольку альтернативная модель вводит выделенный центр сферической симметрии, закономерно возникает вопрос о положении наблюдателя.

Темпл парирует это тем, что принцип Коперника в равной степени применим и к традиционным теориям: «Обе модели требуют определенного пространственного положения, чтобы наши наблюдения совпадали с теорией. Если этот принцип дискредитирует одну концепцию, он автоматически ставит под сомнение и другую».

Предложенная работа открывает принципиально новый вектор дискуссий о природе космического ускорения. И хотя тёмная энергия по-прежнему удерживает статус мейнстрима, математика общей теории относительности демонстрирует потенциал для принципиально иного прочтения фундаментальных законов физики.

 

Источник