автор: Грег Уотри, Калифорнийский университет в Дейвисе
Математики ставят под сомнение идею о том, что ускоряющееся расширение Вселенной вызвано темной энергией. В новой статье, опубликованной в Proceedings of the Royal Society A, математики из Калифорнийского университета в Дейвисе приводят математическое доказательство того, что нестабильность, присущая уравнениям Эйнштейна — Эйлера, означает, что текущая модель расширяющейся Вселенной нежизнеспособна.
Уравнения Эйнштейна — Эйлера представляют собой объединение уравнений общей теории относительности и гидродинамики, используемых для моделирования астрономических явлений, таких как галактики, чёрные дыры и космическое расширение.
Исследование напрямую ставит под сомнение модель холодной тёмной материи, стандартную космологическую модель Большого взрыва.
Автор исследования Блейк Темпл, заслуженный профессор математики Калифорнийского университета в Дейвисе, сравнил стандартную космологическую модель с карандашом, стоящим на кончике. «Когда карандаш стоит вертикально, все силы находятся в равновесии, так что это «решение уравнений», — сказал он. — Но оно неустойчивое. Стоит дунуть, и карандаш упадет».
По словам Темпла, математические расчеты доказывают, что пространство-время Фридмана — математическая модель, описывающая космическое расширение, — нестабильно как на малых, так и на больших масштабах во время Большого взрыва, что делает его самым нестабильным решением из всех возможных. «Нестабильные решения в физике и других науках считаются нефизическими, — сказал Темпл. — Вы никогда не встретите их в природе».
Темпл отметил, что эта нестабильность предполагает более простое объяснение, полностью укладывающееся в рамки первоначальной теории Эйнштейна. «Неустойчивость всех фридмановских пространств-времен к ускоренному расширению предлагает более простое и естественное объяснение ускорения Вселенной, чем теория тёмной энергии», — сказал он.
Объяснение ускоряющегося расширения Вселенной
Почти 30 лет назад в качестве причины ускоряющегося расширения Вселенной была предложена темная энергия. Эта идея восходит к первоначальным уравнениям общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описывающим гравитацию, которые он вывел в 1915 году. Чтобы создать статичную Вселенную, Эйнштейн изначально ввел в свою теорию антигравитационный фактор. Он назвал его «космологической постоянной».
После того как в 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой», ведь без нее он мог бы предсказать расширение Вселенной. Однако космологическая постоянная и идея о том, что она взаимозаменяема с темной энергией, были вновь введены в научный оборот в 1990-х годах для объяснения ускоренного расширения Вселенной. Стандартные космологические модели основаны на так называемой «вселенной Фридмана», в которой вся материя расширяется, но равномерно распределена в пространстве в каждый фиксированный момент времени. Однако Темпл и его коллеги не смогли объяснить математически ускоряющееся расширение Вселенной, и им пришлось искать альтернативные объяснения.
«Сначала мы предположили, что Вселенная расширяется из-за ударной волны, а аномальное ускорение — это расширяющаяся волна, следующая за ударной, — сказал Темпл. — Потом мы поняли, что в эпоху излучения Большого взрыва существует семейство самоподобных решений, которые могут моделировать эту расширяющуюся волну».
Самоподобные уравнения описывают физические явления, которые сохраняют свою форму или структуру независимо от масштаба.
В этой статье математики используют самоподобную версию уравнений Эйнштейна, которую они вывели в ходе предыдущей работы, чтобы представить стандартную космологическую модель как неподвижную точку уравнений. Это позволяет дать полную математическую характеристику стабильности стандартной модели и, в более общем смысле, стабильности всех фридмановских пространств-времен в эпоху доминирования материи после Большого взрыва.
«Мы доказали, что, как и статическая модель Эйнштейна, все пространства-времена Фридмана неустойчивы к радиальным возмущениям на больших масштабах, — сказал Темпл. — Это, по-видимому, исключает модель холодной темной материи с лямбда-членом как жизнеспособное стабильное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, независимо от наличия темной энергии».
«Это означает, — добавил он, — что в целом Большой взрыв должен выглядеть в точности как пространство-время Фридмана вблизи центра симметрии, но вдали от центра должно наблюдаться ускорение». Фазовый портрет для STV-ОДУ порядка n = 2. Источник: Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Science (2026). DOI: 10.1098/rspa.2025.0912
Переосмысление принципа Коперника?
Темпл и его коллеги обнаружили, что ускоренное расширение Вселенной является прямым следствием уравнений Эйнштейна — Эйлера без учета космологической постоянной или темной энергии. Эти математические выкладки также ставят под сомнение принцип Коперника — идею о том, что Земля не занимает особого положения во Вселенной.
«И модель холодной темной материи Лямбда, и сферически симметричное пространство-время создают особое место, в котором мы должны находиться, чтобы модель была физически правдоподобной, — сказал Темпл. — Если этот принцип исключает одно, то он должен исключать и другое».
Сведения о публикации
К. Александер и др., «Нестабильность критических и недоплотных фридмановских пространств-времен в момент Большого взрыва как альтернатива темной энергии», Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Science (2026). DOI: 10.1098/rspa.2025.0912
Информация о журнале: Proceedings of the Royal Society A