У популярній теорії походження Всесвіту з'явилися проблеми

У Всесвіту був початок. Але з чого вона почалася? Чим стала на початку? Ми знаємо, що все почалося з досить швидкого розширення і закінчилося появою великої кількості галактик, зроблені з маленьких частинок. Але що було до цього? Якими були закони фізики, коли все почалося? Відомі фізики Джеймс Хартл і Стівен Хокінг запропонували кілька відповідей на ці питання кілька десятиліть тому. Нова робота іншої групи фізиків проаналізувала популярну інтерпретацію геометрії Великого Вибуху Хокінга і Хартла і зіткнулася з деякими неприємностями. Ці результати проливають світло на проблему початку Всесвіту. Нова перешкода, яку доведеться долати всім теоріям майбутнього.

«Ми спробували провести більш строгий розрахунок і отримали інше рішення», говорить Джоб Фельдбрюгге, резидент-аспірант Інституту Периметра. «Теорія, яку ми використовуємо, проливає нове світло на існуючу теорію і показує, що вона не може працювати так, як ми очікували».

Зазвичай вчені намагаються зрозуміти початок Всесвіту, вдивляючись в закони гравітації Ейнштейна, названі загальною теорією відносності, і програючи їх у зворотному порядку. Зрештою, вони хочуть дійти до того моменту, коли Всесвіт була дуже маленькою. Але самі цікаві питання виникають на тему того, як виглядала юна Всесвіт, була досить малою, щоб підкорятися законам квантової механіки, яка управляє найдрібнішими частинками, атомами і фотонами.

Є кілька способів почати Всесвіт, подібну до нашої. Може бути, подумали Хокінг і Хартл, ця конденсована Всесвіт була всього лише однією точкою в просторі зі спеціальним квантовим станом, так званої хвильової функцією, яка описує все це мовою квантової механіки. Потім з'явився час. Філософії і релігії потрібно багато розмірковувати на цю тему, але математикам потрібна просто ручка і папір. Ця точкова Всесвіт розвивалася на основі математики, загальної теорії відносності з початковими властивостями квантової механіки, вбудованої в її структуру. Таким чином, ці крихітні випадкові флуктуації енергії в просторі повинні були в процесі швидкого розширення — інфляції — перетворитися на великомасштабні різниці щільності, які ми спостерігаємо у сучасній Всесвіту, з галактиками і пустотами. Теорія Хокінга і Хартла була одним з декількох способів позначити початок Всесвіту без сингулярності, точки нульового обсягу і нескінченної маси, в якій не було особливого сенсу. Інші ідеї, на зразок тих, що пропонував Олександр Віленкін, не мали цієї початкової сингулярності.

Нова стаття, яка нещодавно з'явилася на сервері препринтів arXiv, вводить проблему. При розрахунках в математиці Хокінга, Хартлса і Віленкіна нова команда не отримала крихітних квантових флуктуацій, необхідних для створення сьогоднішній Всесвіту. Замість цього ці флуктуації гігантські і створюють всесвіт, зовсім несхожу на нашу.

«Розрахунки, які ми зробили, призводять до сильних гравітаційних хвилях після Великого Вибуху», говорить Фельдбрюгге — величезним коливань у формі самого простору-часу. «Це не могло призвести до всесвіту як сьогодні. Розрахунки суперечать тому, що ми бачимо».

Хартла не особливо турбують результати команди Фельдбрюгге. «У космології у нас поки дуже мало даних в порівнянні з тим, що могло б бути», каже він. «Тому ми робимо все можливе, підтримуючи частина теорії, яка найкраще задовольняє наші спостереження». Він вважає нову роботу черговою спробою перевернути гру, запропонувавши більше інформації та інший математичний шлях, яким можуть слідувати вчені. «Дослідники має право вибирати, гнатися за цією ідеєю або за інший».

Його команда також нещодавно опублікувала іншу роботу, пересматривающую його власну математику, і продемонструвала, чому його теорія все ще працює.

І все ж математика Фельдбрюгге і його команди, схоже, показує, що гладке появу всесвіту без будь-яких сингулярності «не варіант». Їх математика прямо заперечує Хартла і Хокінга.

Зв'язування квантової механіки і загальної теорії відносності для пояснення початку Всесвіту не є ні чимось новим, ні проблемою, близькою до вирішення. По суті, це одна з основних проблем, яку намагаються вирішити фізики-теоретики, враховуючи її важливість для розуміння походження Всесвіту, коли обидва набору законів застосовуються в одному і тому ж масштабі, і важливість для чорних дір, в яких гравітація настільки сильна, що світ не може її покинути.

Але найголовніше в тому, що Фельдбрюгге не вважає, що всесвіт, який починається з законів квантової механіки і теорії відносності, могла створити невеликі флуктуації, які призведуть до такої всесвіту, як наша — він думає, що повинно бути щось ще. «Незрозуміло, яке рішення стане остаточним варіантом», говорить він.

Думки фізиків з цього питання різні. Підлогу Штейнхардт, професор фізики в Прінстонському університеті, говорить, що вже існують альтернативні шляхи, що дозволяють уникнути проблем у новій роботі, а також і інших скарг на модель Хокінга — Хартла. Ця так звана безмежна модель вимагає деяких математичних обхідних рішень для створення всесвіту кшталт нашої.

«Яка альтернатива? Відскік без сингулярності», говорить він, посилаючись на модель, яку він розробляє разом з космологом-теоретиком з Прінстона Ганною Идджас. Згідно цієї моделі, всесвітколапсує і потім розгортається в нашу власну всесвіт, задовго до того, як можна починати замислюватися про ефекти квантової механіки.

Сабіна Хоссенфельдер, науковий співробітник Франкфуртського інституту перспективних досліджень, не впевнена в нових результати. «Єдине, що я можу зробити висновок, що ми не знали, як почалася всесвіт до того, як була написана ця робота. І ми не дізналися після того, як ця робота вийшла у світ». Теоретики серйозно ставляться до математики і робили ці розрахунки із часом і простором задовго до того, як їх підтвердять телескопи. Єдиний спосіб дізнатися напевно, що відбувається, це експерименти.

Сьогодні більшість цих теорій можуть бути підтверджені або спростовані спостереженнями найстарішого світла, яка до нас доходить, космічного мікрохвильового фону. Вчені сподіваються, що висновки з їхніх теорій дозволять виділити важливі сигнатури з цих даних.

чи Можна перевірити роботу Фельдбрюгге і його команди? Адже вони тільки почали. Очевидно, на перевірку піде багато часу. Вченим потрібно в кінцевому підсумку створити всесвіт, яка буде схожа на нашу. Але деталі цього процесу поки не визначені.