Теория происхождения Вселенной трещит по швам
У Вселенной было начало. Но с чего она началась? Чем стала в начале? Мы знаем, что все началось с довольно быстрого расширения и закончилось появлением большого количества галактик, сделанных из маленьких частиц. Но что было до этого?
Какими были законы физики, когда все началось? Известные физики Джеймс Хартл и Стивен Хокинг предложили несколько ответов на эти вопросы несколько десятилетий назад. Новая работа другой группы физиков проанализировала популярную интерпретацию геометрии Большого Взрыва Хокинга и Хартла и столкнулась с некоторыми неприятностями. Эти результаты проливают свет на проблему начала Вселенной. Новое препятствие, которое придется преодолевать всем теориям будущего.
«Мы попытались провести более строгий расчет и получили другое решение», говорит Джоб Фельдбрюгге, резидент-аспирант Института Периметра. «Теория, которую мы используем, проливает новый свет на существующую теорию и показывает, что она может не работать так, как мы ожидали».
Обычно ученые пытаются понять начало Вселенной, вглядываясь в законы гравитации Эйнштейна, названные общей теорией относительности, и проигрывая их в обратном порядке. В конце концов, они хотят дойти до того момента, когда Вселенная была очень маленькой. Но самые интересные вопросы возникают на тему того, как выглядела юная Вселенная, была ли достаточно малой, чтобы подчиняться законам квантовой механики, которая управляет мельчайшими частицами, атомами и фотонами.
Есть несколько способов начать Вселенную, подобную нашей. Может быть, подумали Хокинг и Хартл, эта конденсированная Вселенная была всего лишь одной точкой в пространстве со специальным квантовым состоянием, так называемой волновой функцией, которая описывает все это языком квантовой механики. Затем появилось время. Философии и религии нужно много рассуждать на эту тему, но математикам нужна просто ручка и бумага. Эта точечная Вселенная развивалась на основе математики общей теории относительности с изначальными свойствами квантовой механики, встроенной в ее структуру. Таким образом, эти крошечные случайные флуктуации энергии в пространстве должны были в процессе быстрого расширения — инфляции — превратиться в крупномасштабные разницы плотности, которые мы наблюдаем у современной Вселенной, с галактиками и пустотами. Теория Хокинга и Хартла была одним из нескольких способов обозначить начало Вселенной без сингулярности, точки нулевого объема и бесконечной массы, в которой не было особого смысла. Другие идеи, вроде тех, что предлагал Александр Виленкин, не подразумевали этой изначальной сингулярности.
Новая статья, которая недавно появилась на сервере препринтов arXiv, вводит проблему. При расчетах в математике Хокинга, Хартлса и Виленкина новая команда не получила крошечных квантовых флуктуаций, необходимых для создания сегодняшней Вселенной. Вместо этого эти флуктуации гигантские и создают вселенную, совершенно непохожую на нашу.
«Расчеты, которые мы произвели, приводят к сильным гравитационным волнам после Большого Взрыва», говорит Фельдбрюгге — огромным колебаниям в форме самого пространства-времени. «Это не могло привести к вселенной как сегодня. Расчеты противоречат тому, что мы видим».
Хартла не особо беспокоят результаты команды Фельдбрюгге. «В космологии у нас пока слишком мало данных по сравнению с тем, что могло бы быть», говорит он. «Поэтому мы делаем все возможное, поддерживая часть теории, которая лучше всего удовлетворяет наши наблюдения». Он считает новую работу очередной попыткой перевернуть игру, предложив больше информации и другой математический путь, по которому могут следовать ученые. «Исследователи вправе выбирать, гнаться им за этой идеей или за другой».
Его команда также недавно опубликовала другую работу, пересматривающую его собственную математику, и продемонстрировала, почему его теория все еще работает.
И все же математика Фельдбрюгге и его команды, похоже, показывает, что гладкое появление вселенной без какой-либо сингулярности «не вариант». Их математика прямо оспаривает Хартла и Хокинга.
Связывание квантовой механики и общей теории относительности для объяснения начала Вселенной не является ни чем-то новым, ни проблемой, близкой к разрешению. По сути, это одна из основных проблем, которую пытаются решить физики-теоретики, учитывая ее важность для понимания происхождения Вселенной, когда оба набора законов применяются в одном и том же масштабе, и важность для черных дыр, в которых гравитация настолько сильная, что свет не может ее покинуть.
Но самое главное в том, что Фельдбрюгге не считает, что вселенная, начинающаяся с законов квантовой механики и относительности, могла создать небольшие флуктуации, которые приведут к такой вселенной, как наша — он думает, что должно быть что-то еще. «Непонятно, какое решение станет окончательным вариантом», говорит он.
Мнения физиков по этому вопросу самые разные. Пол Штейнхардт, профессор физики в Принстонском университете, говорит, что уже существуют альтернативные пути, позволяющие избежать проблем в новой работе, а также и других жалоб на модель Хокинга — Хартла. Эта так называемая безграничная модель требует некоторых математических обходных решений для создания вселенной вроде нашей.
«Какая альтернатива? Отскок без сингулярности», говорит он, ссылаясь на модель, которую он разрабатывает вместе с космологом-теоретиком из Принстона Анной Идджас. Согласно этой модели, вселенная коллапсирует и затем разворачивается в нашу собственную вселенную, задолго до того, как можно начинать задумываться об эффектах квантовой механики.
Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований, не уверена в новых результатах. «Единственное, что я могу заключить, это что мы не знали, как началась вселенная до того, как была написана эта работа. И мы не узнали этого после того, как эта работа вышла в свет». Теоретики серьезно относятся к математике и проделывали эти расчеты со временем и пространством задолго до того, как их подтвердят телескопы. Единственный способ узнать наверняка, что происходит, это эксперименты.
Сегодня большинство этих теорий могут быть подтверждены или опровергнуты наблюдениями старейшего света, который до нас доходит, космического микроволнового фона. Ученые надеются, что выводы из их теорий позволят выделить важные сигнатуры из этих данных.
Можно ли проверить работу Фельдбрюгге и его команды? Они ведь только начали. Очевидно, на проверку уйдет много времени. Ученым нужно в конечном итоге создать вселенную, которая будет походить на нашу. Но детали этого процесса пока не определены.