Большой Взрыв или Большой Отскок?: Новая теория зарождения Вселенной

В наши дни присутствие атомов настолько рядовая идея, что трудно представить, насколько радикальной она казалась когда-то. Когда несколько столетий назад ученые впервые выдвинули гипотезу об атомах, они и не надеялись когда-либо наблюдать что-нибудь столь маленькое, а многие подвергли сомнению, может ли понятие атомов называться научным. Однако постепенно, накопились доказательства существования атомов и достигло переломного момента в анализе Альбертом Эйнштейна в 1905 году броуновского движения, случайного движения взвешенных частиц в покоящейся жидкости. Даже тогда потребовались еще 20 лет для физиков, чтобы развить теорию, объясняющую атомы, а именно квантовую механику — и еще 30 лет для того, чтобы физик Эрвин Мюллер (Erwin Müller), сделал первые микроскопные изображения. Сегодня все отрасли промышленности основаны на характерных свойствах атомной материи.

Вселенная, возможно, началась не со взрыва.

Понимание физиками состава пространства и времени следует подобным путем, правда оно немного отстаёт. Так же, как поведение материалов указывает, что они состоят из атомов, поведение пространства и времени предлагает, чтобы у них также была некоторая мелкомасштабная структура — или мозаика из пространственно-временных "атомов" или некоторых других элементов филигранной работы. Материальные атомы - наименьшие неделимые единицы химических составов; а так же предполагаемые космические атомы - наименьшие неделимые единицы расстояния. Они, как думают учёные, размером приблизительно в 10^–35 (10 в степени минус тридцать пять) метра, слишком крошечные, чтобы быть замеченными сегодняшними самыми сильными инструментами, разрешающая способность которых 10^–18 (10 в степени минус восемнадцать) метра. Следовательно, многие учёные спрашивают, можно ли назвать понятие атомного пространства-времени научным. Другие исследователи, не боящиеся трудностей, придумывают всевозможные способы косвенно обнаружить такие атомы.

Самые многообещающие применяют наблюдения за космосом. Если мы мысленно перемотаем расширение вселенной назад во времени, то мы увидим, что галактики, как кажется, сходятся в единственной бесконечно малой точке сингулярности: центре Большого Взрыва. В этом пункте наша текущая теория гравитации – общая теория относительности Эйнштейна – предсказывает, что у вселенной была бесконечная плотность и температура. Этот момент иногда выдаётся как начало вселенной, рождение материи, пространства и времени. Такая интерпретация, однако, заходит слишком далеко, потому что бесконечные значения просто указывают, что сама общая относительность здесь ломается. Чтобы объяснить, что действительно происходит при Большом Взрыве, физики должны выйти за пределы относительности. Учёные должны развить теорию квантовой силы тяжести, описывающую бы микроструктуру пространства-времени, которую не учитывает теория относительности.

Детали этой структуры сыграли бы свою роль при плотных условиях исконной вселенной, и следы этого могут сохраниться в современном распределении материи и излучения. Короче говоря, если пространственно-временные атомы существуют, то, в отличие от поиска материальных атомов, не потребуются столетия чтобы найти доказательства существования таких атомов. Если нам повезёт, мы сможем обнаружить их в течение ближайшего десятилетия.

Части космоса

Физики разработали несколько теорий претендентов относительно квантовой гравитации, каждая из которых применяет квантовые принципы к общей теории относительности различными способами. Мы поговорим об теории петли квантовой гравитации, которая была развита в 1990 годах, используя двухстадийную процедуру. Во-первых, теоретики математически сформулировали повторно общую теорию относительности, чтобы та напоминала классическую теорию электромагнетизма; "петли" теории - аналоги линий электрических и магнитных полей. Во-вторых, после инновационных процедур некоторые из которых являются родственными процедурам из математики узлов, они применяли квантовые принципы к петлям. В итоге, полученная квантовая теория гравитации предсказывает существование пространственно-временных атомов.

Другие подходы, такие как теория струн и так называемая каузальная динамическая триангуляция, по существу не предсказывают пространственно-временные атомы, но предлагают другие способы, которыми достаточно короткие отрезки пространства могли бы быть неделимы. Различия между этими теориями дали начало противоречиям, но судя по всему эти теории являются не противоречащими, а дополняющими. Теория струн, например, очень полезна для объединенного представления взаимодействий частиц, включая слабую гравитацию. С целью распутывания, что случается в центре Большого Взрыва, где сила тяжести велика, более полезны атомные конструкции петлей гравитации.

Мощь теории находится в её способности захватить текучесть пространства-времени. Эйнштейн понял, что пространство-время не простая сцена, на которой разворачивается драма вселенной. Это – самостоятельный актёр. Оно не только определяет движение тел в пределах вселенной, но оно развивается. Происходит сложное взаимодействие между материей и пространством-временем. Космос может расти и сжиматься.

Петли гравитации расширяют такое понимание квантового царства. Они берут наше знакомое понимание частиц материи и применяет его к атомам пространства и времени, обеспечивая объединенное представление наших наиболее фундаментальных понятий. Например, квантовая теория электромагнетизма описывает вакуум, лишенный частиц, таких как фотоны, и где каждое приращение энергии, добавленное к этому вакууму, производит новую частицу. В квантовой теории гравитации вакуум - отсутствие пространства-времени — пустота, столь полная, мы можем едва вообразить её. Петли гравитации описывают, как каждое приращение энергии, добавленное к этому вакууму, производит новый атом пространства-времени.

Пространственно-временные атомы формируют плотные, вечно движущиеся петли. На больших расстояниях их динамизм дает начало развитию вселенной из классической теории общей относительности. При обычных условиях мы никогда не замечаем существование этих пространственно-временных атомов; расстояние между петлями настолько низко, что петли похожи на простое пространство. Но когда пространство-время насыщено энергией, как это было при большом взрыве, микроструктура пространства-времени становится движущей силой, а поведение петлей гравитации отличается от общей теории относительности.

Привлеченный к отдаче

Применение теории является чрезвычайно сложной задачей, поэтому физики используют упрощенные версии, которые отображают действительно значимые особенности вселенной, такие как ее размер, и игнорируют менее интересные детали. Учёные должны были также приспособить многие стандартные математические инструменты физики и космологии. Например, теоретические физики обычно описывают мир, используя дифференциальные уравнения, которые определяют норму изменения физических переменных, таких как плотность, в каждом пункте пространственно-временного континуума. Но когда пространство-время гранулировано, то вместо этого используют так называемые уравнение в конечных разностях, которые разбивают континуум на дискретные интервалы. Эти уравнения описывают, как вселенная растёт. Когда в 1999 году учёные намеревались анализировать космологические значения петлей гравитации, большинство исследователей ожидало, что эти уравнение в конечных разностях просто воспроизведут старые результаты. Но скоро обнаружились неожиданные особенности.

Обычно гравитация является силой притяжения. Шар материи имеет тенденцию разрушаться под своим собственным весом, и если его масса является достаточно большой, гравитация пересиливает все другие силы и сжимает шар в точку, такую как центр черной дыры. Но петли гравитации предполагают, что строение атома пространства-времени при очень высокой плотности энергии изменяет природу гравитации, делая её отталкивающей силой. Вообразите космос как губку, а массу и энергию как воду. Пористая губка может сохранить воду, но только до определенного количества. Полностью впитанная, она не может большее поглощать и вместо этого отражает воду. Точно так же атомный квантовый космос является пористым и имеет конечное количество места для хранения энергии. Когда плотность энергии становится слишком большой, появляется отталкивающая сила. Непрерывный космос общей относительности, напротив, может сохранить безграничное количество энергии.

Из-за гравитационно-квантового изменения баланса сил, никогда не возникает точка и значит и состояние бесконечной плотности. Согласно этой модели, у материи в ранней вселенной были очень высокая, но конечная плотность, равная триллиону солнц в каждой области размером с протон. В таких крайностях гравитация действовала как отталкивающая сила, заставляя космос расшириться; когда плотность уменьшилась, сила тяжести, становилась силой притяжения, которую все мы знаем. Инерция сохраняла расширение, происходящее до сих пор.

Фактически, отталкивающая сила гравитации заставила космос, расширяться с ускорением. Космологические наблюдения, признают такой период ускорения, названный расширением космоса. Поскольку вселенная расширяется, сила, питающая расширение медленно уменьшается. Однажды, когда ускорения закончится, избыток энергии превратится в обычную материю, которая начнёт заполнять вселенную в процессе, названном повторным нагревом. В современных моделях расширение добавлено специально, чтобы соответствовать наблюдениям — но в квантовой космологии петли - это естественное последствие атомной природы пространства-времени. Ускорение автоматически начинается, когда вселенная является маленькой и ее пористая структура заполнена.

Время перед Временем

Без сингулярности, чтобы разграничить начало времени, история вселенной может простираться значительно дальше назад, чем космологи когда либо думали. Другие физики также сделали подобный вывод, однако их модели редко полностью разрешают проблему сингулярности; большинство моделей, включая и теории струн, требует предположений относительно того, что, возможно, случилось в этой неудобной точке. Петли гравитации, напротив, в состоянии проследить то, что происходило в сингулярности. Хотя и по общему мнению, сценарии, основанные на петлях, сильно упрощены, они основаны на общих принципах и избегают ввода новых специальных предположений.

Используя уравнения в конечных разностях, учёные могут попытаться восстановить глубокое прошлое. Один возможный сценарий - то, что начальное сверхплотное состояние возникло, когда существующая ранее вселенная разрушилась под действием гравитационной силы притяжения. Плотность становилась настолько высокой, что сила тяжести стала отталкивающей силой, и вселенная начала снова расширяться. Космологи именуют этот процесс отскоком.

Первая модель сильного отскока, исследованная полностью, являлась идеализированным случаем, в котором вселенная симметрична и содержит только один тип материи. Частицы не имели никакой массы и не взаимодействовали друг с другом. Хотя эта модель и была упрощенной, понимание её первоначально потребовало ряда математических вычислений, которые были закончены только к 2006 году. Эта модель была создана Абгеем Аштекаром (Abhay Ashtekar), Томашем Павловски (Tomasz Pawlowski) и Парампритом Сингхом (Parampreet Singh) из пенсильванского университета. Создатели рассматривали распространение волн, представляющих вселенную до и после большого взрыва. Модель ясно показала, что волны не будут вслепую следовать за классической траекторией в пропасть сингулярности, они остановились бы и вернулись бы, как только начиналось отталкивание квантовой гравитации.

Результатом этого моделирования, стало то, что печально известная неопределённость квантовой механики была справедливо подавлена во время отскока. Волна вместо распространения (обычный процесс для квантовых волн), во время отскока локализовалась. Взятый по номинальному значению, этот результат предположил, что вселенная перед сильным отскоком была подобна нашей собственной вселенной: управляемая общей относительностью и возможно заполненная звездами и галактиками. Если так, мы должны быть в состоянии экстраполировать от нашей вселенной назад во времени, через сильный отскок, и вывести то, что было прежде, точно так же как мы можем восстановить пути двух бильярдных шаров перед столкновением, основываясь на их путях после столкновения. Мы не должны знать каждую деталь столкновения на уровне атомов.

К сожалению, последующий анализ учёных разбил эту надежду. Как модель, так и квантовые волны, используемые в математических моделях, оказались особым случаем. Как оказалось распространение волн и квантовые эффекты были достаточно сильными, чтобы с ними считаться. Таким образом сильный удар не был кратким толчком с отталкивающей силой, как в случае столкновения бильярдных шаров. Вместо этого оно, возможно, представило появление нашей вселенной из почти непостижимого квантового состояния – мира чрезвычайно колеблющегося беспорядка. Даже если существующая ранее вселенная была однажды очень подобна нашей, она прошла через длительный период, во время которого плотность материи и энергии сильно и беспорядочно колебалась, заметая все следы.

Колебания до и после большого взрыва не были сильно связаны друг с другом. Вселенная перед большим взрывом, возможно, колебалась совсем по другому, чем после него, и детали о тех колебаниях не пережили отскок. Короче говоря, у вселенной случился трагический приступ амнезии. Она, возможно, существовала перед Большим Взрывом, однако квантовые эффекты во время сильного удара вытерли почти все следы этой предыстории.

Некоторые остатки памяти

Эта картина большого взрыва является более тонкой, чем классическое представление сингулярности. Принимая во внимание, что с чрезвычайными условиями в точке сингулярности, где общая относительность терпит неудачу, петли квантовой гравитации работают. Большой Взрыв больше не физическое начало или математическая сингулярность, но он действительно накладывает практическое ограничение на наше знание. То, что выживает, не сможет обеспечить полное представление того, что было ранее.

Это может расстроить, поскольку это могло быть концептуальным благословением. В физических системах, как и в повседневной жизни, беспорядок имеет тенденцию увеличиваться. Этот принцип, известный как второй закон термодинамики, является аргументом против вечной вселенной. Если порядок уменьшается на бесконечном промежутке времени, то вселенная должна к настоящему времени быть столь дезорганизована, что структуры, которые мы видим как в галактиках так и на Земле, были бы почти невозможны. Правильное количество космической амнезии может быть спасением, представляя молодой, растущей вселенной чистый лист независимо от всего беспорядка, который, возможно, существовал прежде.

Согласно традиционной термодинамике, нет такой вещи как действительно чистый лист; каждая система всегда сохраняет память о своем прошлом в конфигурации ее атомов [подробнее здесь]. Но позволяя измениться числу пространственно-временных атомов, образуются петли, квантовая гравитация даёт вселенной больше свободы для уборки, чем предложила бы классическая физика.

 Это всё вовсе не говорит о том, что у космологов нет никакой надежды на исследование квантово-гравитационного периода. Гравитационные волны и нейтрино - особенно многообещающие инструменты, так как они слабо взаимодействуют с материей и поэтому проникли сквозь исконную плазму с минимальными потерями. Эти посыльные могли бы принести нам новости со времени близко к, или даже до большого взрыва.

 Один из способов поиска гравитационных волн заключается в изучение их отпечатка на микроволновом фоновом излучении. Если бы квантово-гравитационная отталкивающая гравитация стимулировала космическое расширение, то эти наблюдения могли бы найти некоторый намек на это. Теоретики должны также определить, мог ли этот новый источник инфляции воспроизвести другие космологические измерения, особенно раннее распределение плотности в материи, замеченное в микроволновом фоновом излучении.

 В то же самое время астрономы могут искать пространственно-временные аналоги случайного броуновского движения. Например, квантовые колебания пространства-времени могли затронуть распространение света на большие расстояния. Согласно теории петлей гравитации, световая волна не может быть непрерывной; она должна соответствовать сетке космоса. Чем меньше длина волны - тем больше решетка искажает её. В некотором смысле, пространственно-временные атомы ударяют волну. Как следствие, свет различных длин волны идёт с различной скоростью. Хотя эти различия являются крошечными, за время долгого путешествия они могут накопиться. Отдаленные источники, такие как взрывы гамма-лучей предлагают большую вероятность наблюдения, что этот эффект.

В случае материальных атомов, больше чем 25 столетий протекли между первыми спекулятивными предложениями о существовании атомов древними философами и анализом броуновского движения Эйнштейном, который твердо определил атомы как предмет экспериментальной науки. Для пространственно-временных атомов задержка не должна быть такой большой.

По материалам Scientific American