Узнаем ли мы когда-нибудь как появилась Вселенная?

Считается, что наша Вселенная родилась 13,8 миллиардов лет назад после Большого взрыва и с тех пор расширяется с ускорением. Однако что именно происходило в первые секунды после рождения Вселенной – инфляции – долгое время остается для физиков загадкой. Согласно новой гипотезе, о чем рассказывает Live Science, в относительно молодой Вселенной «наблюдатель должен быть огражден» от непосредственного наблюдения мельчайших структур в космосе. Другими словами, физики по определению никогда не смогут построить модель инфляции с помощью обычных инструментов, и им придется придумать лучший способ. Новая гипотеза указывает на определенную особенность инфляционных моделей, которые принимают очень, очень малые флуктуации в пространстве-времени и делают их больше. Но так как полной физической теории этих малых флуктуаций не существует, модели инфляции с этой особенностью (то есть практически все), никогда не будут работать. Напомню, что наблюдения за крупномасштабной структурой Вселенной и остатками света от Большого взрыва ранее показали, что в очень ранней Вселенной наш космос, вероятно, переживал период невероятно быстрого расширения.

Эволюция ранней Вселенной

Сегодня мы знаем, что в результате инфляции за мельчайшую долю секунды Вселенная стала в триллионы и триллионы раз больше. В процессе этого роста инфляция также сделала наш космос немного неровным: по мере ее развития мельчайшие случайные квантовые флуктуации — флуктуации, встроенные в саму ткань пространства-времени — становились намного, намного больше, что означало, что некоторые области были более плотно упакованы материей, чем другие.

В конце концов, эти субмикроскопические различия стали макроскопическими … и даже больше, в некоторых случаях простираясь от одного конца Вселенной до другого. Миллионы и миллиарды лет спустя эти крошечные различия в плотности выросли, чтобы стать семенами звезд, галактик и самых больших структур в космосе. Но если инфляция ранней Вселенной сделала нашу Вселенной такой, какой мы знаем ее сегодня, то что именно привело инфляцию в действие? Как долго она продолжалась и что остановило ее? Ответов на эти вопросы у ученых, увы, нет – им попросту не хватает полного физического описания этого знаменательного события.

Инфляционная модель Вселенной выглядит так.

Еще одна загадка заключается в том, что в большинстве моделей инфляции флуктуации в чрезвычайно малых масштабах раздуваются, превращаясь в макроскопические различия. Эти различия невероятно крошечные и чтобы описать с их помощью реальность, потребуется новая теория физики. Такая, кстати, уже маячит на горизонте, о чем подробнее я рассказывала в этой статье.

Разные подходы к пониманию инфляции

Поскольку у ученых нет теории, которая объединяла бы физику при высоких энергиях и малых масштабах (например, при таких условиях, как инфляция), физики пытаются построить версии с более низкими энергиями, чтобы добиться прогресса. «В рамках новой гипотезы, однако, такая стратегия не работает, потому что когда мы используем ее для построения моделей инфляции, процесс инфляции происходит так быстро, что «подвергает» субпланковский режим макроскопическому наблюдению», – пишут авторы нового исследования.

Еще один возможный подход к моделированию ранней Вселенной кроется в теории струн, которая сама по себе является обнадеживающим кандидатом на создание единой теории всего (объединяя классическую и квантовую физику). Интересно, что в этой модели Вселенная не подвергается периоду быстрой инфляции. Вместо этого период инфляции проходит гораздо мягче и медленнее, а флуктуации не «подвергаются» воздействию макроскопической Вселенной. Однако так называемые «струнные газовые модели» (от англ. «effective field theory») пока не обладают достаточной детализацией, чтобы их можно было проверить на основе наблюдаемых свидетельств инфляции во Вселенной.

Наблюдаемая Вселенная скрывает в себе множество тайн.

Напомню, что теория струн предсказывает огромное количество потенциальных вселенных, из которых наш конкретный космос (с его набором сил и частиц и остальной физикой) представляет только одну. И все же большинство моделей инфляции (если не все) несовместимы с теорией струн на базовом уровне. Вместо этого они принадлежат к тому, что физики называют «болотом» — области возможных вселенных, которые просто физически не могут существовать.

Сегодня ученые не теряют надежд построить традиционную модель инфляции, но если новая гипотеза верна, это сильно ограничит типы моделей, которые физики могут построить. Также важно понимать, что новая гипотеза пока что является не более чем предположением. Которое, правда, согласуется с недоказанной теорией струн (на самом деле теория струн далека от завершения и пока что не способна делать предсказания).

Теория струн призвана объединить все наши знания о Вселеной и объяснить ее.