Была ли Вселенная одномерной линией?

Эта теория, названная теорией «исчезающих измерений» и призванной описать самое далёкое прошлое, в последние месяцы набирает обороты в науке. Если эта теория верна, то она может стать мостом, восполняющей пробел между квантовой механикой и общей теорией относительности, а также позволит понять свойства гипотетической частицы — бозона Хиггса. И что самое главное, она сделает это с элегантной простотой. Говорит Деян Стойкович, физик университета Буффало, разрабатывающий теорию исчезающих пространств:
 — В последние 30 лет физики вводили всё больше новых частиц и измерений, переусложняя свои теории. Мы решили пойти другим путём и облегчить теории физики высоких материй. Мы изменяем фон, на котором формулируется стандартная модель физики элементарных частиц, для высоких энергий молодой Вселенной. С одним измерением проблема заметно упрощается.

Согласно теории, первую квадриллионную секунды после Большого взрыва, пока Вселенная не остыла до средней температуры 100 тераэлектронвольт (ТэВ на самом деле мера энергии, но энергии и температуры совпадают), она была одномерной линией. Мир тогда выглядел намного проще и более единым. В одном пространстве не могут существовать частицы, не существует вращения. Всё, что может происходить — это движение энергии назад либо вперёд. Со временем линия росла и всё больше пересекалась с самой собой, пока не образовалось нечто вроде ткани, ставшей в итоге двухмерной плоскостью. История повторилась и с этим полотном, которое расширялось и перекручивалось до тех пор, пока не создало паутину — нашу современную трёхмерную вселенную. Этот процесс схож со складыванием листа бумаги, пока он не превратится в объёмную открытку (pop-up book).

Пока нет объяснения этого механизма. Что-то должно было заставить перейти вселенную от струны к большему количеству измерений и создать то пространство-время, которое мы видим сегодня. Пока что исчезающие пространства выглядят скорее основой, чем теорией. Ещё предстоит проработать множество деталей.

В отличие от теории струн, которая пытается достаточно причудливо описать архитектуру Вселенной, эта концепция опровергаема, то есть её возможно проверить в практическом эксперименте. Стойкович и Йона Мурейка, физик Университета Лойола Мэримаунт в Лос-Анджелесе, опубликовали первую отрецензированную статью на данную тему в уважаемом журнале Physical Review Letters, в которой изложили суть такого эксперимента.

Работа связана с гравитационными волнами. Слабые отклонения образуются вблизи массивных объектов и путешествуют сквозь пространство-время. Никто никогда не засекал гравитационные волны, но их существование предсказано стандартной моделью физикой элементарных частиц, и в следующем десятилетии физики планируют обнаружить их с помощью сети космических спутников. По идее, эти волны должны нести в себе отпечаток объекта, от которого они произошли. Если так, то со времени, пока вселенная ещё не была трёхмерной, не должно дойти никаких гравитационных волн. Для их существования нужно не меньше трёх измерений. Согласно теории, вселенная стала трёхмерной при остывании до температуры 1 ТэВ. Следовательно, отсутствие гравитационных волн с энергиями больше 1 ТэВ придало бы теории веса. 

 Таким образом, ожидается, что при измерении частот (и соответствующих энергий) гравитационных волн будет заметен срез на частоте перехода из 2-D в 3-D. Впрочем, некоторые учёные не соглашаются с этим. Они считают, что никакого среза не будет видно, что, однако, не будет означать опровержения теории исчезающих измерений. Также пока вызывает подозрение отсутствие конкретики и не описанный механизм происходящего. «Без математических выкладок, без хорошо прописанной модели, как и почему измерения „исчезали“, никто не может сказать больше на этот счёт», — пишут Томас Сотириос из Кембриджского университета и Силке Вайнфюртнер из университета SISSA в Италии.

Однако уже сейчас могут обнаружены свидетельства, говорящие в пользу этой теории. Когда космические лучи сталкиваются с частицами в атмосфере, получается поток из других частиц. Слова Стойковича:
— Поток этот конический, а сечение конуса, как известно, круг. Это наводит на мысль, что столкновения высоких частиц происходят в плоскости, то есть, скорее в двух измерениях, чем в трёх. Если частицы так же сильно заряжены, как и в молодой Вселенной, то измерения как бы исчезают во время их столкновений. В двух измерениях, если космический луч сбивает частицу, получится поток частиц, расходящийся кругом. Часть круга — это линия, и это то, что было замечено детекторами высоко в атмосфере.

В ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере возможно увидеть двухмерный мир, если это так. Если засечь показания на достаточно высоких энергиях, то все события с частицами должны происходить в плоскости. Если так произойдёт, то теория исчезающих измерений, так красиво рисующая рождение Вселенной, привлечёт к себе больше внимания и получит толчок к развитию.