Я изучал запись в блоге arXiv, в которой обсуждается вопрос поиска тёмной энергии через атомную интерферометрию, и наткнулся на следующий пассаж:

Понятие тёмной энергии странное даже по космологическим понятиям. Космологи навязали нам эту идею, чтобы объяснить очевидное ускорение расширения Вселенной. Они утверждают, что это ускорение происходит за счёт энергии, заполняющей пространство с плотностью в 10^-10 джоулей на кубометр. Странность в том, что пространство расширяется, а значит, увеличивается и количество энергии. Если вы заметили проблему в этих рассуждениях, то вы не одиноки. Забыть о законе сохранения энергии – это вам не шутки.

Даже если бы я не был профессиональным космологом, мне было бы трудно поверить, что сотни космологов по всему миру приняли идею, нарушающую один из основных законов физики, просто забыв про него. Если бы идея тёмной энергии шла бы вразрез с более известным и фундаментальным принципом, она не получила бы такой популярности.

Но у многих людей возникает именно такая реакция. Ясно, что космологи недостаточно популярно рассказали о том, что известно аж с 1920 года: в общей теории относительности энергия не сохраняется.

Суть проста: когда вы думали, что энергия сохраняется, на это была причина – инвариантность относительно трансляции времени. Это понятие означает, что фон, на котором эволюционируют частицы и силы, а также динамические правила, управляющие их движениями, зафиксирован и не меняется со временем. Но в ОТО это уже не так. Эйнштейн открыл, что пространство и время динамичны, и они могут эволюционировать со временем. Когда меняется пространство, через которое движутся частицы, общая энергия этих частиц не сохраняется.

И не то, чтобы после этого разверзлись все врата Ада – мы просто рассматриваем физику в более общем контексте, чем это было необходимо для законов Ньютона. И кроме того, есть одно важное уравнение, которое иногда называют «сохранение энергии-импульса».

i.imgur.com/Mkg2Y0k.png?1

Детали тут не столь важны, но смысл уравнения достаточно простой: энергия и импульс эволюционируют по определённому закону, в ответ на поведение пространства-времени вокруг них. Если пространство-время остаётся неподвижным, то общее количество энергии сохраняется. Если же оно эволюционирует, энергия меняется недвусмысленным образом.

В случае тёмной энергии эта эволюция проста: плотность энергии вакуума в пустом пространстве является константой, даже когда объём области пространства (движущийся совместно с галактиками и частицами) растёт при расширении Вселенной. Поэтому общая энергия, а именно плотность, перемноженная на объём,- растёт.

Это многих раздражает, но ничего нового, что было бы предъявлено нам в связи с теорией тёмной энергии, тут нет. Это также верно и для излучения – частиц вроде фотонов, движущихся с околосветовой скоростью. Фотоны испытывают красное смещение и теряют энергию при расширении пространства. Если мы проследим за определённым количеством фотонов, то их количество останется постоянным, а энергия каждого из них будет уменьшаться — поэтому и общая их энергия будет уменьшаться. Уменьшение их энергии тоже выглядит, как «нарушение законов сохранения», но почему-то оно не так сильно беспокоит всех. В итоге, неважно, как сильно вас это беспокоит – ведь это совершенно ясное следствие ОТО.

И его даже экспериментально проверили! Успех нуклеосинтеза Большого Взрыва зависит от того, что мы знаем, как быстро Вселенная расширялась в первые три минуты своего существования – а это, в свою очередь, зависит от скорости изменения плотности энергии. А эта плотность почти полностью состоит из излучения, поэтому концепцию отсутствия сохранения энергии просто обязательно надо учитывать для верного совершения предсказаний древнего нуклеосинтеза.

Будет нелишним отметить, что многие эксперты по космологи или ОТО объясняли бы всё это по-другому. Наука у нас сомнений не вызывает – вызывает вопросы лишь подбор слов, которые необходимо присоединить к ней. Многие хотели бы заявить, что «энергия в ОТО сохраняется, только вам нужно включить в уравнение энергию гравитационного поля, энергию материи и излучения, и так далее».

И этот способ не является неверным – его можно использовать, если только правильно использовать определения вместе с ним. Мне кажется, что проще забыть о т.н. «энергии гравитационного поля», и просто признать, что энергия не сохраняется. И тому есть две причины.

Во-первых, в отличие от материальных полей, не существует такой вещи, как плотность гравитационной энергии. Та вещь, которую вы захотели бы определить, как энергию, связанную с кривизной пространства, не определяется уникальным образом в каждой точке пространства. Строго говоря, точно определить можно только всю энергию Вселенной целиком, вместо того, чтобы рассуждать об энергии отдельных её кусочков.

Во-вторых, смысл этого упражнения в том, чтобы пояснить, что происходит в мире ОТО людям, незнакомым с математическими деталями теории. Все эксперты согласны меж собой – это проблема перевода, а не физики. По моему опыту, объяснения вроде «энергия гравитационного поля отрицательна, и полностью компенсирует энергию, приобретаемую материальными полями», не повышают ничью степень понимания ситуации. Это просто заглушает их голоса. А если сказать, что " в ОТО пространство-время могут передавать энергию материи, или поглощать её из материи так, что общее количество энергии не сохраняется", то люди хотя и удивятся, но по крайней мере, смогут хоть что-то понять.

Энергия не сохраняется – она меняется из-за изменения пространства-времени. Вот – не так уж и сложно всё получилось, правда?