Ученые предложили новую теорию расширения Вселенной после Большого взрыва

Фото из открытых источников

Исследователи из Университета Ватерлоо и Института Периметра предложили новую теоретическую концепцию, которая ставит под сомнение существующее понимание первоначального расширения Вселенной, успешно согласовывая гравитацию с квантовой механикой без необходимости прибегать к искусственно добавленным компонентам.

В работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предполагается, что бурное расширение, известное как космическая инфляция, могло возникнуть естественным образом из более глубокой и математически непротиворечивой теории квантовой гравитации.

Группа исследователей под руководством профессора Ниайеша Афшорди из Университета Ватерлоо и Института Периметра изучила подход, использующий квантовую квадратичную гравитацию. Эта модель сохраняет свою математическую согласованность даже на чрезвычайно высоких уровнях энергии, которые характеризовали условия сразу после рождения Вселенной, — в режиме, в котором общая теория относительности Эйнштейна, несмотря на свой успех на протяжении более века, перестает быть применимой.

Общая теория относительности на протяжении десятилетий являлась основой для описания эволюции космоса в больших масштабах, но её формулировка дает сбой в начальной сингулярности Большого взрыва, где законы физики в том виде, в каком они известны, достигают критической точки. Для преодоления этого препятствия традиционные объяснения, как правило, дополняли теорию Эйнштейна дополнительными компонентами, корректируемыми вручную. Новый подход, представленный Афшорди и его сотрудниками, обходится без этих дополнений, предлагая единую картину, которая связывает первые мгновения Вселенной с современной наблюдаемой космологией.

Исследование показало, что быстрое начальное расширение, период, который современная космология называет инфляцией и который имеет фундаментальное значение для объяснения однородности и крупномасштабной структуры наблюдаемой Вселенной, может возникать непосредственно из этой теории квантовой гравитации без необходимости включения внешних факторов. Этот вывод подразумевает, что само поведение гравитации при экстремальных энергиях будет ответственно за запуск взрывного роста первобытного космоса.

Эта работа показывает, что первоначальный взрывной рост Вселенной может быть непосредственно следствием более глубокой теории гравитации, — заявил Афшорди. — Вместо того чтобы добавлять новые элементы к теории Эйнштейна, мы обнаружили, что быстрое расширение возникает естественным образом, как только гравитация рассматривается таким образом, который остается неизменным при чрезвычайно высоких энергиях.

Одной из наиболее примечательных особенностей этой модели является ее способность генерировать проверяемые предсказания. Теоретическая основа не только описывает естественный механизм инфляции, но и устанавливает минимальное количество первичных гравитационных волн, которые должны были возникнуть.

Эти волны, представляющие собой крошечные рябь в геометрии пространства-времени, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва, являются одним из самых неуловимых признаков физики высоких энергий. Предсказание минимального порога для этих волн открывает путь к их возможному обнаружению в экспериментах, находящихся в настоящее время в разработке или запланированных на ближайшее будущее.

Сами исследователи были удивлены тем, насколько широко их предложение позволяет проводить эмпирические проверки. Хотя эта модель описывает невероятно высокие энергии, она приводит к четким предсказаниям, которые могут быть получены в ходе современных экспериментов, отметил Афшорди. Эта прямая связь между квантовой гравитацией и реальными данными является необычной и захватывающей.

Время публикации этой статьи имеет особое значение. Космология находится на переходном этапе к эре точности, движимой новым поколением инструментов, способных исследовать Вселенную с беспрецедентной точностью.

Масштабные исследования галактик, эксперименты, направленные на изучение космического микроволнового фонового излучения, и детекторы гравитационных волн достигают таких уровней чувствительности, которые позволят проверить теории, до недавнего времени остававшиеся в области математических предположений.

В то же время научное сообщество начало выявлять ограничения простейших моделей раннего расширения Вселенной, что усиливает потребность в альтернативных подходах, прочно основанных на фундаментальных принципах физики.

Команда планирует продолжить уточнение своих предсказаний, чтобы привести их в соответствие с предстоящими экспериментами, с целью изучения связей между их теоретической основой и физикой элементарных частиц, а также других неизвестных аспектов, связанных с первобытной Вселенной. Долгосрочная цель, по словам авторов, состоит в том, чтобы укрепить связь между квантовой гравитацией и наблюдательной космологией, тем самым приблизив теорию происхождения космоса к области эмпирических данных.