Сотрудниками Университета штата Пенсильвания с 80-х годов прошлого века разрабатывается парадигма описания того, что происходило в самом начале Вселенной. Используя математический аппарат, получивший название петлевой квантовой космологии (упрощение петлевой квантовой гравитации), можно надеяться описать происходившее во Вселенной намного дальше, чем позволяет классическая квантовая теория – возможно, до самого момента Большого взрыва. В качестве такого универсального аппарата, соединяющего квантовую механику и теорию относительности, петелевая модель имеет основного конкурента в лице теории струн. Эта теория имеет значение и для того, что мы видим сейчас. Согласно ее результатам, все современные крупные структуры во Вселенной имеют начало в квантовых флуктуациях пространства-времени, имевших место при рождении мира. В эту теорию могут вписываться частные теории, касающиеся конкретных событий – например, теория Большого взрыва, и с помощью нового математического аппарата и грядущих улучшений в возможностях наблюдательной астрономии можно ожидать уточнения и проверки современных теорий космологии.
«Мы, люди, всегда стремились как можно больше понять в строении и эволюции Вселенной, – говорит первый автор публикации работы Абай Аштекар. – Так что для нашей группы сейчас наступает очень интересное время, ведь с помощью нашей новой модели мы теперь можем в деталях изучить, что творилось с материей и геометрией пространства-времени в ходе первых моментов Вселенной, а может, и в самом ее начале». Аштекар – директор Института гравитации и космоса Университета, соавторами работы являются Иван Агулло и Уильям Нельсон.
Новая парадигма дает концептуальный и математический аппарат для описания экзотического состояния пространства-времени в начале Вселенной. В первую очередь, согласно новой модели, Вселенная была сжата до невероятных плотностей – около десяти в девяноста четвертой степени грамм на кубический сантиметр. При таких плотностях поведение Вселенной, конечно, описывалось не классической физикой и даже не общей теорией относительности Эйнштейна. Вместо этого предлагается новая фундаментальная теория, включающая в себя квантовую механику. В таких квантовомеханических условиях, когда можно говорить лишь о вероятностях событий, физические свойства материи должны сильно отличаться от того, с чем мы привыкли сталкиваться в повседневных ситуациях. Среди основных отличий – даже понятие времени.
 Для современных наблюдений такие условиях не менее недоступны, чем для обыденного понимания. Только несколько астрономических результатов подбираются близко к далеким временам рождения Вселенной. Реликтовое излучение удалось увидеть для тех времен, когда возраст мира составлял всего 380 тысяч лет. К этому моменту, после инфляции – периода очень быстрого расширения – Вселенная стала намного больше, чем при рождении, и уже не представляла собой парадоксального с точки зрения физики явления. А ведь даже в начале инфляции плотность Вселенной была в миллиарды раз меньше, чем в первые мгновения и ее поведение описывалось уже не квантовой механикой. Так что все наши знания о первых моментах Вселенной, когда ее свойства были экстремальны, исходят из наблюдений более поздних эпох, когда ее свойства были уже регулярны.
Наблюдения реликтового излучения показывают, что Вселенная после инфляции в основном равномерна, и только в некоторых областях наблюдаются искажения реликтового излучения. Эти области были до инфляции либо заметно более плотными, либо менее плотными. «Инфляционная парадигма имеет большой успех, ведь она объясняет видимую структуру реликтового излучения. Но эта модель не полна. Она исходит из того, что Вселенная начала появляться из ничего после Большого взрыва, что на самом деле объясняется лишь неспособностью стандартного подхода объяснить экстремальные квантовомеханические условия, – говорит Агулло. – Необходима квантовая теория гравитации, например, петлевая квантовая космология, чтобы выйти за пределы, накладываемые теорией Эйнштейна и описать физические процессы, происходившие при рождении Вселенной». Прошлые работы группы Аштекара уже позволили выдвинуть теорию измененного Большого взрыва, в которой наша Вселенная возникла не из ничего, но из чрезвычайно сжатой материи, которая и до этого могла иметь какую-то историю.
Несмотря на то, что условия, описываемые квантовой механикой и относящиеся к моменту рождения Вселенной разительно отличаются от условий, описываемых теорией относительности и относящихся к времени после инфляции, существует связь между моделями, описывающими эти две эры. Используя оба математических аппарата, сотрудники Университета смогли показать, как из мест, выделяющихся на общем фоне реликтового излучения флуктуациями плотности материи, затем выросли скопления галактик и все крупные структуры, видимые нами сейчас. Что еще интереснее, математический аппарат петлевой квантовой космологии позволяет получить те самые особенности реликтового излучения из флуктуаций, относящихся к самому началу Вселенной. «Наша работа отодвигает границу знаний о происходившем со Вселенной до самого Большого взрыва, увеличивая предел достижимой для изучения плотности материи на 11 порядков, – говорит Нельсон. – Мы сумели сузить рамки, в которых находились начальные условия при взрыве, а также показали, что эти начальные условия находятся в согласии с особенностями реликтового излучения». В некоторых частях новая теория расходится со стандартными предположениями теорий Большого взрыва и инфляции, что позволит сравнить их. С текущим уровнем наблюдений это, правда, невозможно.
Космос-Журнал
По материалам Университета штата Пенсильвания
Источник: cosmos-journal.ru.
Рейтинг публикации:
|
