28.10.2024. - Зеркальная вселенная, движущаяся назад во времени

Зеркальная вселенная, движущаяся назад во времени

Мы живем в золотой век познания Вселенной. Наши самые мощные телескопы показали, что космос на удивление прост в самых больших видимых масштабах. Точно так же наш самый мощный "микроскоп", Большой адронный коллайдер, не обнаружил ни малейших отклонений от известной физики.

Эти результаты оказались не такими, как ожидало большинство теоретиков. Сегодня доминирующий теоретический подход сочетает в себе теорию струн, мощную математическую базу, которая пока не имеет успешных физических предсказаний, и "космическую инфляцию" — идею о том, что на очень ранней стадии Вселенная сильно увеличилась в размерах. В сочетании теория струн и инфляция предсказывают, что космос невероятно сложен в крошечных масштабах и абсолютно хаотичен в очень больших масштабах.

Природа ожидаемой сложности может принимать ошеломляющее разнообразие форм. На этом основании, несмотря на отсутствие данных наблюдений, многие теоретики продвигают идею "мультивселенной": неконтролируемого и непредсказуемого космоса, состоящего из множества вселенных, каждая из которых обладает совершенно разными физическими свойствами и законами.

Пока что наблюдения указывают на прямо противоположное. Что мы должны сделать с этим расхождением? Одна из возможностей состоит в том, что кажущаяся простота Вселенной - это всего лишь случайность, связанная с ограниченным диапазоном масштабов, которые мы можем исследовать сегодня, и что когда наблюдения и эксперименты достигнут достаточно малых или достаточно больших масштабов, заявленная сложность будет раскрыта.

Другая возможность заключается в том, что Вселенная действительно очень проста и предсказуема как в самых больших, так и в самых маленьких масштабах. Я считаю, что к этой возможности следует отнестись гораздо серьезнее. Поскольку, если это правда, мы, возможно, ближе, чем предполагали, к пониманию самых основных загадок Вселенной. И некоторые ответы, возможно, уже лежат у нас перед глазами.

Проблема теории струн и инфляции

Нынешняя ортодоксальность является результатом десятилетий усилий тысяч серьезных теоретиков. Согласно теории струн, основными строительными блоками Вселенной являются крошечные вибрирующие петли и фрагменты субатомной струны. Как известно, теория работает только в том случае, если существует больше измерений пространства, чем те три, которые мы наблюдаем. Итак, специалисты по теории струн предполагают, что причина, по которой мы их не обнаруживаем, заключается в том, что они крошечные и свернутые.

К сожалению, это затрудняет проверку теории струн, поскольку существует почти невообразимое количество способов, которыми малые измерения могут быть свернуты, и каждый из них дает свой набор физических законов для остальных, больших измерений.

Между тем, космическая инфляция - это сценарий, предложенный в 1980-х годах для объяснения того, почему Вселенная такая гладкая и плоская в самых больших масштабах, которые мы можем видеть. Идея заключается в том, что новорожденная Вселенная была маленькой и шероховатой, но экстремальный всплеск сверхбыстрого расширения значительно увеличил ее в размерах, сгладив и сплющив таким образом, чтобы она соответствовала тому, что мы видим сегодня.

Теория инфляции популярна еще и потому, что она потенциально объясняет, почему плотность энергии в ранней Вселенной незначительно менялась от места к месту. Это важно, поскольку более плотные области позже сжались бы под действием собственной гравитации, что привело бы к образованию галактик.

За последние три десятилетия вариации плотности измерялись все более точно как с помощью картографирования космического микроволнового фона — излучения, возникшего в результате большого взрыва, — так и с помощью картографирования трехмерного распределения галактик.

В большинстве моделей инфляции ранний экстремальный всплеск расширения, который сгладил и сплющил Вселенную, также породил длинноволновые гравитационные волны - рябь в ткани пространства-времени. Такие волны, если их наблюдать, стали бы "неопровержимым доказательством" того, что инфляция действительно имела место. Однако пока что наблюдениям не удалось обнаружить ни одного такого сигнала. Вместо этого, по мере того как эксперименты неуклонно совершенствовались, все больше и больше моделей инфляции были исключены.

Более того, во время инфляции различные области пространства могут расширяться в совершенно разной степени. В очень больших масштабах это приводит к образованию мультивселенной, состоящей из вселенных, каждая из которых обладает различными физическими свойствами.

Сценарий инфляции основан на предположениях о формах присутствующей энергии и начальных условиях. Хотя эти предположения решают одни головоломки, они создают другие. Специалисты по теории струн и инфляции надеются, что где-то в огромной инфляционной мультивселенной существует область пространства и времени, свойства которой соответствуют той вселенной, которую мы видим.

Однако, даже если это так (а ни одна такая модель еще не найдена), справедливое сравнение теорий должно включать "коэффициент Оккама", количественно определяющий "бритву Оккама", которая ставит теории со многими параметрами и возможностями выше, чем более простые и прогнозирующие. Игнорирование фактора Оккама равносильно предположению, что нет альтернативы этой сложной, непредсказуемой гипотезе — утверждение, на мой взгляд, не имеющее под собой достаточных оснований.

За последние несколько десятилетий было много возможностей для экспериментов и наблюдений, позволяющих выявить конкретные признаки теории струн или инфляции. Но ни один из них не был замечен. Снова и снова наблюдения оказывались проще и минимальнее, чем ожидалось.

Я считаю, что настало время признать эти неудачи и извлечь из них уроки, а также начать серьезно искать лучшие альтернативы.

Более простая альтернатива

Недавно мы с моим коллегой Лэтемом Бойлом попытались построить более простые и проверяемые теории, которые устранили бы инфляцию и теорию струн. Основываясь на наблюдениях, мы попытались решить некоторые из самых глубоких космических загадок с минимумом теоретических предположений.

Наши первые попытки увенчались успехом, превзошедшим наши самые оптимистичные ожидания. Время покажет, выдержат ли они дальнейшее изучение. Однако прогресс, которого мы уже достигли, убеждает меня в том, что, по всей вероятности, существуют альтернативы стандартной ортодоксии, которая стала смирительной рубашкой, из которой нам нужно вырваться.

Я надеюсь, что наш опыт побудит других, особенно молодых исследователей, использовать новые подходы, руководствуясь простотой наблюдений, и более скептически относиться к предубеждениям старших. В конечном счете, мы должны учиться у Вселенной и адаптировать к ней наши теории, а не наоборот.

Мы с Бойлом начали с рассмотрения одного из величайших парадоксов космологии. Если проследить расширение Вселенной назад во времени, используя теорию тяготения Эйнштейна и известные законы физики, пространство сжимается до одной точки, "начальной сингулярности".

Пытаясь разобраться в этом бесконечно плотном и горячем начале, теоретики, включая нобелевского лауреата Роджера Пенроуза, указали на глубокую симметрию в основных законах, управляющих светом и безмассовыми частицами. Эта симметрия, называемая "конформной" симметрией, означает, что ни легкие, ни безмассовые частицы на самом деле не испытывали сжатия пространства во время большого взрыва.

Используя эту симметрию, можно проследить движение света и частиц от начала до конца. Поступая таким образом, мы с Бойлом обнаружили, что можем описать начальную сингулярность как "зеркало": отражающую границу во времени (с одной стороны, время движется вперед, а с другой - назад).

Представление о большом взрыве как о зеркале четко объясняет многие особенности Вселенной, которые в противном случае могли бы противоречить самым элементарным законам физики. Например, для каждого физического процесса квантовая теория допускает "зеркальный" процесс, в котором пространство переворачивается, время поворачивается вспять и каждая частица заменяется своей античастицей (частицей, похожей на нее почти во всех отношениях, но с противоположным электрическим зарядом).

В соответствии с этой мощной симметрией, называемой CPT-симметрией, "зеркальный" процесс должен происходить точно с той же скоростью, что и исходный. Одна из самых главных загадок Вселенной заключается в том, что она, по-видимому, [нарушает СРТ-симметрию], потому что время всегда течет вперед и частиц больше, чем античастиц.

Наша зеркальная гипотеза восстанавливает симметрию Вселенной. Когда вы смотрите в зеркало, вы видите за ним свое отражение: если вы левша, то изображение будет правшой, и наоборот. Сочетание вас и вашего отражения в зеркале более симметрично, чем если бы вы были одни.

Аналогичным образом, когда мы с Бойлом экстраполировали нашу вселенную на период до большого взрыва, мы обнаружили ее зеркальное отражение - вселенную до взрыва, в которой (относительно нас) время течет вспять, а античастиц больше, чем частиц. Чтобы эта картина была правдивой, нам не нужно, чтобы зеркальная вселенная была реальной в классическом смысле (точно так же, как ваше изображение в зеркале нереально).

Квантовая теория, управляющая микрокосмосом атомов и частиц, бросает вызов нашей интуиции, поэтому на данный момент лучшее, что мы можем сделать, - это представить зеркальную вселенную как математический аппарат, который гарантирует, что начальные условия вселенной не нарушают СРТ-симметрию.

Удивительно, но это новое изображение дало важный ключ к пониманию природы неизвестной космической субстанции, называемой темной материей. Нейтрино - это очень легкие, призрачные частицы, которые, как правило, движутся со скоростью, близкой к скорости света, и при движении вращаются, как крошечные волчки.

Если вы направите большой палец левой руки в направлении движения нейтрино, то ваши четыре пальца укажут направление, в котором оно вращается. Наблюдаемые легкие нейтрино называются "левосторонними" нейтрино.

Тяжелые "правосторонние" нейтрино никогда не наблюдались непосредственно, но вывод об их существовании был сделан на основе наблюдаемых свойств легких "левосторонних" нейтрино. Стабильные правосторонние нейтрино были бы идеальными кандидатами на роль темной материи, поскольку они не взаимодействуют ни с одной из известных сил, кроме гравитации. До нашей работы было неизвестно, как они могли образоваться в горячей ранней Вселенной.

Наша зеркальная гипотеза позволила нам точно рассчитать, сколько их образуется, и показать, что они могут объяснить космическую темную материю.

Последовало проверяемое предсказание: если темная материя состоит из стабильных правосторонних нейтрино, то одно из трех известных нам легких нейтрино должно быть абсолютно безмассовым. Примечательно, что это предсказание в настоящее время проверяется с помощью наблюдений за гравитационной группировкой вещества, полученных в результате крупномасштабных исследований галактик.

Энтропия вселенных

Воодушевленные этим результатом, мы приступили к решению еще одной большой загадки: почему Вселенная настолько однородна и пространственно плоская, а не искривлена в самых больших видимых масштабах? Сценарий космической инфляции, в конце концов, был придуман теоретиками для решения этой проблемы.

Энтропия - это понятие, которое количественно определяет количество различных способов организации физической системы. Например, если мы поместим несколько молекул воздуха в коробку, то наиболее вероятными конфигурациями будут те, которые максимизируют энтропию — когда молекулы более или менее равномерно распределяются в пространстве и более или менее равномерно распределяют общую энергию. Такого рода аргументы используются в статистической физике - области, лежащей в основе нашего понимания теплоты, работы и термодинамики.

Покойный физик Стивен Хокинг и его коллеги, как известно, обобщили статистическую физику, включив в нее гравитацию. Используя элегантный аргумент, они рассчитали температуру и энтропию черных дыр. Используя нашу "зеркальную" гипотезу, нам с Бойлом удалось распространить свои аргументы на космологию и рассчитать энтропию целых вселенных.

К нашему удивлению, вселенная с наибольшей энтропией (то есть она наиболее вероятна, как и атомы, распределенные в коробке) плоская и расширяется с ускоренной скоростью, как и реальная. Таким образом, статистические аргументы объясняют, почему Вселенная плоская и гладкая и имеет небольшое положительное ускоренное расширение, без необходимости в космической инфляции.

Каким образом в нашей симметричной зеркальной вселенной могли возникнуть изначальные изменения плотности, обычно приписываемые инфляции? Недавно мы показали, что особый тип квантового поля (поле нулевой размерности) генерирует именно те изменения плотности, которые мы наблюдаем, без инфляции. Важно отметить, что эти изменения плотности не сопровождаются длинноволновыми гравитационными волнами, которые предсказывает инфляция и которые еще не были замечены.

Эти результаты очень обнадеживают. Но требуется дополнительная работа, чтобы показать, что наша новая теория является как математически обоснованной, так и физически реалистичной.

Даже если наша новая теория потерпит неудачу, она преподала нам ценный урок. Вполне возможно, что существуют более простые, убедительные и проверяемые объяснения основных свойств Вселенной, чем те, которые предлагает общепринятая теория.

Столкнувшись лицом к лицу с глубокими загадками космологии, руководствуясь наблюдениями и исследуя еще неисследованные направления, мы, возможно, сможем заложить более надежные основы как для фундаментальной физики, так и для нашего понимания Вселенной.

Источник