Ускоренное расширение Вселенной может обойтись без тёмной энергии

Наша Вселенная расширяется. Более того, она расширяется с ускорением. Это фундаментальный наблюдаемый факт, который ставит перед физиками непростую задачу. Чтобы объяснить это явление в рамках общей теории относительности Эйнштейна, приходится вводить дополнительную сущность — темную энергию.

Это рабочая, но несколько искусственная конструкция. По сути, мы добавляем в уравнения новый компонент, чтобы теория соответствовала данным. Но что, если проблема не в недостающей энергии, а в том, как мы описываем материю и гравитацию?

Новое исследование предполагает, что ответ может скрываться в деталях, которые мы до сих пор игнорировали.

Слепое пятно стандартной модели

Когда космологи моделируют Вселенную в больших масштабах, они обычно представляют всю материю — звезды, газ, пыль — как некую однородную субстанцию. Ее называют «идеальной жидкостью». Это приближение, которое отлично работает во многих случаях. Но это все-таки приближение.

Реальная Вселенная — это не гладкая жидкость. Это «кинетический газ»: гигантский поток из миллиардов частиц, каждая из которых обладает собственной скоростью и траекторией. Чтобы полностью описать такую систему, нужна подробная карта всех частиц и их скоростей. Физики называют ее одночастичной функцией распределения (1PDF). Эта функция содержит исчерпывающую информацию о материи.

Интересно то, что стандартные уравнения Эйнштейна для гравитации учитывают не всю эту информацию. Они взаимодействуют только с усредненными характеристиками газа, такими как плотность и давление. Эти величины представляют собой так называемый «второй момент» функции распределения.

А что насчет остальных моментов — третьего, четвертого, пятого? Они описывают более тонкие аспекты распределения скоростей частиц, асимметрию и другие статистические детали. Стандартная космология их просто отбрасывает. Почему гравитация должна реагировать только на плотность и давление, игнорируя всю остальную, гораздо более богатую информацию о материи?

Новая геометрия для новой физики

Авторы исследования задались вопросом: как заставить гравитацию увидеть полную картину кинетического газа? Для этого потребовался более общий математический язык, чем тот, на котором говорит теория относительности — Финслерова геометрия.

Общая теория относительности построена на римановой геометрии, где свойства пространства-времени в каждой точке одинаковы для всех направлений. Финслерова геометрия — это ее расширение. Ее особенность в том, что свойства пространства-времени, включая то, как измеряются расстояния и временные интервалы, могут зависеть не только от точки, но и от направления движения через нее.

Эта зависимость от скорости и направления — именно тот механизм, который позволяет связать геометрию пространства-времени со всей полнотой информации из функции распределения частиц (1PDF), а не только с ее усредненными моментами.

Используя этот подход, исследователи вывели новое уравнение для описания эволюции Вселенной. Они назвали его уравнением Финслера-Фридмана. Оно напрямую связывает геометрию пространства-времени со всеми кинетическими свойствами материи.

Вселенная, расширяющаяся «бесплатно»

Самый интересный результат был получен, когда ученые рассмотрели простейший случай — Вселенную без материи, то есть вакуум. В стандартной теории относительности вакуум статичен (если не добавлять космологическую постоянную).

Здесь же все иначе. Уравнение Финслера-Фридмана в вакууме имеет естественное решение, которое описывает экспоненциально расширяющуюся Вселенную.

Ускоренное расширение возникает само по себе, как чисто геометрический эффект. Оно является следствием более детального описания самого пространства-времени. Ему не нужна непонятная темная энергия, чтобы расталкивать галактики. Дополнительные степени свободы, заложенные в Финслеровой геометрии, сами производят этот эффект. Получается, что энергия, которую мы ищем, возможно, никогда не была отдельной субстанцией. Она могла быть спрятана в тех самых деталях кинетики частиц, которые мы до сих пор не учитывали.

Что это значит на практике?

Создает ли эта теория совершенно иную Вселенную? Не совсем. Исследование показывает, что для объектов, движущихся с малыми скоростями (как планеты, звезды и мы с вами), предсказания новой модели практически неотличимы от стандартной космологии. Геометрия Финслера в этом режиме очень похожа на привычную нам геометрию Эйнштейна.

Отличия проявляются на предельных скоростях, близких к скорости света. Причинная структура пространства-времени — то, как свет распространяется и какие события могут влиять друг на друга, — оказывается немного измененной. Светящиеся конусы будущего и прошлого слегка деформированы по сравнению со стандартной моделью.

Это тонкий, но проверяемый эффект.

Каков итог?

Эта работа не закрывает вопрос о темной энергии. Она предлагает новый, смелый взгляд на проблему. Возможно, ученые десятилетиями ищут не там. Возможно, темная энергия — это не экзотическое поле и не невидимая субстанция, а сущность, рожденная нашими собственными упрощенными моделями.

Идея о том, что более точное описание материи ведет к фундаментальному изменению гравитационной динамики, открывает совершенно новое направление для исследований. Следующий шаг — проверить, смогут ли модели на основе геометрии Финслера, но уже с учетом реальной материи, описать наблюдаемые данные о расширении Вселенной так же хорошо или даже лучше, чем стандартная космологическая модель.