“Большое Таяние” или как появилась Вселенная

Основная альтернатива теории большого взрыва, которая может составить ему серьезную конкуренцию, дав ответы на существование темной материи, и всей квантовой теории.

На сегодняшний день существует две тайны Вселенной, обнаруженные физиками. Одна из них связана с окончательной судьбой нашей Вселенной, а другая – с ее зарождением.

Первая тайна связана с существованием “темной материи”, которая ускоряет расширение нашей Вселенной и определяет ее окончательный день существования. Это явление пытаются объяснить выделением тепла материи , которое выводится из уравнения гравитации Эйнштейна и постоянной, отвечающей за это явление.  Но для этого, константа должна иметь крайне малое значение. Космологическая постоянная задается в теории числом, равным единице, деленной на 10 в 122 степени! Объяснить, что это за постоянная, откуда она берется – одна из самых больших проблем, с которой сталкивалась сегодня теоретическая физика. Неподвластна она была даже Эйнштейну.

Вторая тайна, которую все еще изучают ученые – колебания Вселенной. Второе решающее число, которое формирует нашу Вселенную и связано с образованием структур, таких как галактики и группы галактик. Мы знаем, что ранняя Вселенная, будучи очень молодой, также содержала крошечные колебания пространства-времени, которые действовали как прародители для всех космических структур, которые мы видим сегодня. Эти колебания должны иметь определенную величину и форму, соответствовать современным наблюдениям, чтобы доказать теорию Большого Взрыва. Однако они не совпадают с современными данными. Также никто так и не знает, как образовались собственно эти самые колебания, что их вызвало, так как они еще недостаточно изучены. Это остается еще одной большой тайной физики.

В обычных подходах к космологии эти два числа – численное значение космологической постоянной и величина начальных возмущений – считаются несвязанными. В конце концов, речь идет о самой ранней фазе Вселенной, а мы живем в очень поздней фазе, разделенной с началом времен примерно на 14 миллиардов лет. Более того, стандартная космология не дает объяснения этих двух чисел из фундаментальных принципов! Обычные модели Вселенной полностью молчат о численном значении космологической константы или предсказывают совершенно несоответствующее теории Эйнштейна ей значение.

Еще один интересный вопрос: ” Почему после десятилетий работы теоретики еще не объединили гравитацию и квантовую теорию?”. Эти теории, каждая из который весома и значительна, настолько спорят друг с другом, что это действительно является проблемой теоретической физики.

Моя недавняя работа, проведенная в сотрудничестве с моей дочерью Хамсой Падманабхан и Томалла в ETH Zurich (научный центр Астрономии в Швейцарии, прим. переводчика), Теория связывает оба эти числа с космогенезом – созданием Вселенной и объясняет их точные численные значения. В нашей статье, опубликованной недавно в «Physics Letters B», показано, что само существование космологической постоянной, а также ее крошечное значение  можно понять как непосредственное следствие информационного содержания космического пространства-времени. В качестве бонуса анализ также приводит к правильному значению размера и формы малых колебаний в ранней Вселенной.

 

 «Большой взрыв», вероятно, является самой известной теорией происхождения Вселенной в  стандартной космологии. Но и у нее есть свои недостатки. Классическая модель Вселенной, описываемая уравнениями Эйнштейна, ломается в условиях Большого Взрыва, которые включают бесконечную плотность и температуру, или то, что физики называют сингулярностью.
Но что, если сингулярности вовсе не было? С 1960-х годов физики работали над описанием Вселенной без Большого Взрыва, пытаясь объединить гравитационную теорию и квантовую теорию во что-то, называемое квантовой гравитацией. Физики Джон Уилер и Брайс де Витт первыми применили эти идеи к гипотетической предгеометрической фазе Вселенной, в которой понятия пространства и времени еще не появились из какой-то неизвестной структуры. Это означало изучение квантовой космологии, в которой физики пытались описать динамику простых игрушечных моделей Вселенной на квантовом языке. Излишне говорить, что множество разных, но связанных теорий для описания предгеометрической фазы, растет за последние десятилетия. Объединяющей темой этих моделей является то, что классическая Вселенная возникает без какой-либо сингулярности через переход от до геометрической фазы к той, в которой пространство-время описывается уравнениями Эйнштейна. Основная трудность в построении такого описания состоит в том, что у нас нет полной теории квантовой гравитации, которая позволила бы детально моделировать предгеометрическую фазу.
Ключевым новым ингредиентом, введенный нами, который помогает обойти эту техническую трудность, – концепция космической информации. Идея о том, что информация должна играть ключевую роль в описании физики, получила большую поддержку в последнее время. Это понятие возникает в нескольких контекстах, когда вы пытаетесь совместить принципы квантовой теории и гравитации, как, например, при изучении квантовых черных дыр. В некоторых из этих моделей также есть интригующее понятие голографии, которое предполагает, что информационный контент в объемной области может быть связан с информационным содержимым на его границе. Но, к сожалению, математическое описание информации оказывается различным в разных теориях, и мы все еще не нашли объединяющего принципа, применимого во всех случаях. Поэтому для того, чтобы применить понятие информации ко всей вселенной, мы должны сначала придумать определение для нее, которое является физически подходящим
Определение космической информации, которое мы использовали, можно лучше всего проиллюстрировать аналогией. Когда кусок льда тает, чтобы образовать воду, происходит переход от твердой к жидкой фазе. Фактическая динамика фазового перехода может быть очень сложной, но общее число атомов во льду будет таким же, как и общее число атомов в воде. Аналогичным образом фазовый переход, который привел к рождению Вселенной, можно описать рядом чисел, которое связывает ступени перехода от предгеометрической фазе с степенями классического пространства-времени, то есть с настоящим. Используя это число, которое мы называем «Космином», мы можем связать две фазы Вселенной, минуя осложнения полной модели квантовой гравитации. Пространственно-временное пространство следует рассматривать как состоящее из микроскопических элементов, также, как материя состоит из атомов.
В поддержку этой аналогии, имеются также данные о том, что уравнения, описывающие гравитацию, подобны уравнениям механики жидкости.
Космин, эта структурная единица, будучи физическим наблюдаемым числом, должен быть конечным. На самом деле мы ожидаем, что все физические величины будут конечными в отсутствие исключений. Кроме того, мы смогли продемонстрировать, что космин будет конечным, только если в поздние времена вселенная проходит ускоренную фазу расширения, то есть то, что мы наблюдаем сегодня. Эта связь не только предполагает фундаментальную причину существования космологической константы, но и средство вычисления ее численного значения – если мы знаем значение космина.
Невероятно, что сложное сочетание космологических параметров, считающихся несвязанными друг с другом, должно иметь какое-то вовсе простое значение. Обычный подход должен рассматривать этот результат как случайное числовое совпадение. С другой стороны, мы считаем, что это говорит нам что-то глубокое и прекрасное в нашей вселенной.
 
Автор статьи – Тану Падманабхан. Он является выдающимся профессором Межвузовского центра астрономии и астрофизики в Индии. Перевод – Юлия Вишня. Источник статьи – http://nautil.us
comments powered by HyperComments