Проблема космологической постоянной — закрепившееся в современной астрофизике выражение, означающее противоречие, которое существует между предсказанием значения космологической постоянной посредством применения двух фундаментальных физических теорий, общей теории относительности (ОТО), а также квантовой физики, и экспериментальными замерами её величины.
Предсказанная величина получается больше экспериментально измеренной на 120 порядков — «наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией», по словам Ли Смолина.
Космологическая постоянная и физический вакуум
Физический вакуум, низшее энергетическое состояние квантованного поля, согласно предсказаниям квантовой теории поля, имеет некоторую плотность энергии, которая может быть отлична от нуля (так называемая нулевая энергия). В силу так называемой перенормировки вероятности процессов не зависят от нулевой энергии, так что в рамках КТП нулевая энергия остаётся неизмеримой.
В уравнения ОТО также входит величина, известная как космологическая постоянная или лямбда-член — физическая постоянная, характеризующая свойства вакуума:
Λ = 8 π G w c 4 {displaystyle Lambda =8pi G{frac {w}{c^{4}}}} , где w {displaystyle w} — плотность энергии вакуума.
Эта величина может быть экспериментально измерена благодаря своему влиянию на метрику (кривизну) пространства в целом.
Экспериментальное значение
Космологическая постоянная Λ {displaystyle Lambda } может быть измерена благодаря своему влиянию на процесс разбегания галактик. Эти измерения были проделаны в 1998 году двумя группами астрономов, изучавших сверхновые звёзды (см. тёмная энергия), и было получено очень малое значение для космологической постоянной: Λ ∼ 10 − 53 {displaystyle Lambda sim 10^{-53}} м−2. Искажения Вселенной становятся ощутимы лишь при масштабах, сравнимых с размером наблюдаемой части Вселенной, Λ − 1 / 2 = 3 ⋅ 10 26 {displaystyle Lambda ^{-1/2}=3cdot 10^{26}} м. За эти измерения Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике за 2011 год.
Предсказание
Даже одно-единственное квантовое поле, например, электрон-позитронное, согласно КТП, создаёт в вакууме «нулевую» плотность энергии порядка w ∼ m e ( m e c ℏ ) 3 c 2 {displaystyle wsim m_{e}left(m_{e}{frac {c}{hbar }} ight)^{3}c^{2}} , что уже само по себе даёт значение космологической постоянной Λ ∼ 3 ⋅ 10 − 17 {displaystyle Lambda sim 3cdot 10^{-17}} м−2, завышенное на много порядков. Более аккуратная оценка «нулевой» энергии методами КТП по порядку величины приближается к планковской плотности (масса и энергия связаны уравнением Эйнштейна), что ещё дальше от действительности.