Мы живем в золотой век познания Вселенной. Наши самые мощные телескопы показали, что космос удивительно прост на самых больших видимых масштабах. А наш самый мощный “микроскоп” — Большой адронный коллайдер — не обнаружил никаких отклонений от известных законов физики на мельчайших масштабах.
Содержание
Просто или сложно?
Эти открытия оказались неожиданными для большинства теоретиков. Сегодня доминирующий теоретический подход объединяет теорию струн (мощный математический аппарат, пока не давший успешных физических предсказаний) и “космическую инфляцию” — идею о том, что на очень ранней стадии Вселенная стремительно расширилась в размерах. В совокупности теория струн и инфляция предсказывают невероятную сложность космоса на микроскопических масштабах и полный хаос на очень больших масштабах.
Ожидаемая сложность могла принимать самые разнообразные формы. На этом основании, несмотря на отсутствие наблюдательных доказательств, многие теоретики продвигают идею “мультивселенной”: неконтролируемого и непредсказуемого космоса, состоящего из множества вселенных, каждая со своими уникальными физическими свойствами и законами.
До сих пор наблюдения указывают на прямо противоположное. Как это понимать? Одна возможность заключается в том, что видимая простота Вселенной — это просто случайность, связанная с ограниченным диапазоном масштабов, которые мы можем исследовать сегодня, и что когда наблюдения и эксперименты достигнут достаточно малых или достаточно больших масштабов, предполагаемая сложность проявится.
Другая возможность состоит в том, что Вселенная действительно очень проста и предсказуема как на самых больших, так и на самых малых масштабах. Я считаю, что эту возможность следует воспринимать гораздо серьезнее. Ведь если это правда, мы можем быть ближе, чем представляли, к пониманию самых фундаментальных загадок Вселенной. И некоторые ответы, возможно, уже находятся прямо перед нашими глазами.
Проблемы с теорией струн и инфляцией
Современная ортодоксальная теория — это результат десятилетий работы тысяч серьезных теоретиков. Согласно теории струн, базовыми строительными блоками Вселенной являются крошечные вибрирующие петли и фрагменты субатомных струн. В современном понимании теория работает только при наличии большего количества пространственных измерений, чем те три, которые мы воспринимаем. Поэтому теоретики струн предполагают, что мы не обнаруживаем дополнительные измерения потому, что они очень малы и свернуты.
К сожалению, это делает теорию струн трудной для проверки, поскольку существует почти невообразимое количество способов, которыми малые измерения могут быть свернуты, причем каждый способ дает различный набор физических законов в оставшихся крупных измерениях.
Тем временем космическая инфляция — это сценарий, предложенный в 1980-х годах для объяснения того, почему Вселенная настолько однородна и плоская на самых больших видимых масштабах. Идея заключается в том, что младенческая Вселенная была маленькой и неоднородной, но экстремальный всплеск сверхбыстрого расширения колоссально увеличил её в размерах, сгладив и сделав плоской, что соответствует тому, что мы наблюдаем сегодня.
Наблюдения и поиск альтернатив
Инфляция также популярна потому, что потенциально объясняет, почему плотность энергии в ранней Вселенной слегка различалась от места к месту. Это важно, поскольку более плотные области позже сжались под действием собственной гравитации, запустив формирование галактик.
За последние три десятилетия вариации плотности измерялись всё точнее и точнее, как путем картографирования космического микроволнового фона — излучения от Большого взрыва, — так и путем трехмерного картографирования распределения галактик.
В большинстве моделей инфляции ранний экстремальный всплеск расширения, который сгладил и выровнял Вселенную, также должен был породить длинноволновые гравитационные волны — колебания в ткани пространства-времени. Такие волны, если бы их обнаружили, стали бы надежным доказательством, подтверждающим, что инфляция действительно имела место. Однако до сих пор наблюдения не выявили никаких подобных сигналов. Наоборот, по мере того как эксперименты становились все точнее, все больше и больше моделей инфляции оказывались несостоятельными.
Более того, во время инфляции разные области пространства могут испытывать очень разное расширение. На очень больших масштабах это приводит к появлению мультивселенной постинфляционных вселенных, каждая со своими физическими свойствами.
Сценарий инфляции основан на предположениях о формах присутствующей энергии и начальных условиях. Хотя эти предположения решают некоторые загадки, они создают другие. Теоретики струн и инфляции надеются, что где-то в огромной инфляционной мультивселенной существует область пространства и времени именно с теми свойствами, которые соответствуют наблюдаемой нами Вселенной.
Однако даже если это верно (и пока не найдено ни одной такой модели), справедливое сравнение теорий должно включать “фактор Оккама”, количественно выражающий бритву Оккама, который исключает теории со множественными параметрами и возможностями в пользу более простых и предсказательных. Игнорирование фактора Оккама равносильно предположению, что нет альтернативы сложной, непредсказательной гипотезе — утверждение, которое, я считаю, имеет мало оснований.
Зеркальная гипотеза и темная материя
Пытаясь осмыслить это бесконечно плотное, горячее начало, теоретики, включая нобелевского лауреата Роджера Пенроуза, обратили внимание на глубокую симметрию в основных законах, управляющих светом и безмассовыми частицами. Эта симметрия, называемая “конформной”, означает, что ни свет, ни безмассовые частицы фактически не испытывали сжатия пространства при Большом взрыве.
Используя эту симметрию, можно проследить путь света и частиц вплоть до самого начала. Делая это, мы с Бойлом обнаружили, что можем описать начальную сингулярность как “зеркало”: отражающую границу во времени (где время движется вперед по одну сторону и назад по другую).
Представление Большого взрыва как зеркала изящно объясняет многие особенности Вселенной, которые иначе могли бы противоречить фундаментальным законам физики. Например, для каждого физического процесса квантовая теория допускает “зеркальный” процесс, в котором пространство инвертировано, время обращено вспять, а каждая частица заменена своей античастицей (частицей, похожей на нее почти во всех отношениях, но с противоположным электрическим зарядом).
Согласно этой мощной симметрии, называемой CPT-симметрией, “зеркальный” процесс должен происходить с той же точно скоростью, что и исходный. Одна из самых фундаментальных загадок Вселенной заключается в том, что она, похоже, нарушает CPT-симметрию, поскольку время всегда течет вперед, и частиц больше, чем античастиц.
Наша зеркальная гипотеза восстанавливает симметрию Вселенной. Когда вы смотрите в зеркало, вы видите свое отражение позади него: если вы левша, то отражение правша, и наоборот. Комбинация вас и вашего зеркального отражения более симметрична, чем вы в одиночку.
Аналогично, когда мы с Бойлом экстраполировали нашу Вселенную назад через Большой взрыв, мы обнаружили ее зеркальное отражение — вселенную до Большого взрыва, в которой (относительно нас) время течет в обратном направлении, а античастиц больше, чем частиц.
Энтропия Вселенных
Воодушевленные этим результатом, мы взялись за решение другой большой загадки: почему Вселенная настолько однородна и пространственно плоская, а не искривленная, в самых больших видимых масштабах? В конце концов, сценарий космической инфляции был изобретён теоретиками для решения этой проблемы.
Энтропия — это понятие, которое количественно определяет число различных способов, которыми может быть организована физическая система. Например, если мы поместим молекулы воздуха в коробку, наиболее вероятными конфигурациями будут те, которые максимизируют энтропию — когда молекулы более или менее равномерно распределены в пространстве и более или менее равномерно распределяют общую энергию. Подобные аргументы используются в статистической физике — области, лежащей в основе нашего понимания тепла, работы и термодинамики.
Покойный физик Стивен Хокинг и его коллеги, как известно, обобщили статистическую физику, включив в нее гравитацию. Используя элегантный аргумент, они вычислили температуру и энтропию чёрных дыр. Используя нашу гипотезу «зеркала», мы с Бойлом смогли распространить их аргументы на космологию и вычислить энтропию целых вселенных.
К нашему удивлению, вселенная с наибольшей энтропией (то есть наиболее вероятная, как атомы, распределенные в коробке) является плоской и расширяется с ускорением, как и наша реальная Вселенная. Таким образом, статистические аргументы объясняют, почему Вселенная плоская и гладкая, и имеет небольшое положительное ускоренное расширение, без необходимости космической инфляции.
Как первичные вариации плотности, обычно приписываемые инфляции, могли быть сгенерированы в нашей симметричной зеркальной вселенной? Недавно мы показали, что определённый тип квантового поля (поле нулевой размерности) генерирует именно тот тип вариаций плотности, который мы наблюдаем, без инфляции. Важно отметить, что эти вариации плотности не сопровождаются гравитационными волнами большой длины, которые предсказывает инфляция — и которые не были обнаружены.
Эти результаты очень обнадеживают. Но требуется больше работы, чтобы показать, что наша новая теория математически обоснована и физически реалистична.
Даже если наша новая теория окажется неверной, она преподала нам ценный урок. Вполне могут существовать более простые, более мощные и более проверяемые объяснения основных свойств Вселенной, чем те, которые предоставляет стандартная ортодоксия.
Противостоя глубоким загадкам космологии, руководствуясь наблюдениями и исследуя ещё неисследованные направления, мы, возможно, сможем заложить более прочный фундамент как для фундаментальной физики, так и для нашего понимания Вселенной.
Нил Турок, первый заведующий кафедрой теоретической физики Хиггса в Эдинбургском университете.
Читайте также: Существует ли ваша копия в Мультивселенной?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.