Вселенная началась не с Большого взрыва, а с Большого таяния

http://nautil.us/issue/53/monsters/the-universe-began-with-a-big-melt-not-a-big-bang
  • Перевод

Космологическая константа и сотворение Вселенной




По поводу Вселенной существуют две особенно мучительных нерешённых загадки, одна из которых связана с её конечной судьбой, а вторая — с началом, десятилетиями интригующие космологов. Учёное сообщество всегда считало, что две этих задачи не зависят друг от друга — но что, если это не так?

Первая задача связана с существованием чего-то под названием «тёмная энергия», которая сегодня ускоряет расширение Вселенной, и в итоге определит её конечную судьбу. Теоретики рассказывают о том, что действие тёмной энергии можно объяснить, введя в уравнения Эйнштейна новый член под названием «космологическая константа». Но чтобы это объяснение сработало, у космологической константы должно быть определённое, очень малое, значение. В естественных единицах измерения она определяется единицей, делённой на число, состоящее из 123 знаков! Объяснение значения этой константы — одна из самых трудных проблем теоретической физики.


Вариации реликтового излучения указывают на колебания плотности ранней Вселенной

Вторая проблема связна с ещё одним важным числом, определяющим нашу Вселенную и с формированием таких структур, как галактики и группы галактик. Мы знаем, что ранняя Вселенная, хотя и была очень однородной, содержала небольшие флуктуации в плотности, ставшие первопричинами видимых нами сегодня космических структур. Чтобы совпадать с нашими наблюдениями, у этих флуктуаций должна была быть определённая величина и форма. То, как эти флуктуации появились в самые ранние периоды эволюции Вселенной, и их форма и размер являются настолько же удивительной загадкой космологии.

При общепринятом подходе к космологии два этих числа — величина космологической константы и величина изначальных возмущений — не считаются связанными. Ведь одно из них имеет дело с самой ранней фазой существования Вселенной, а второе — с самой поздней, и они разделяются космическим временем в 14 млрд. лет. Более того, стандартная космология не объясняет эти значения на основе фундаментальных принципов. Общепринятые модели Вселенной ничего не говорят о численном значении космологической константы, или предсказывают совершенно другие значения. Касательно величины изначальных возмущений самым популярным подходом считается получение этого значения из класса моделей, описывающих инфляцию — период быстрого роста в ранней фазе существования Вселенной. Проблема с инфляционными моделями в том, что их можно подстроить под выдачу практически любого результата, из-за чего у них отсутствует предсказательная возможность.

В моей недавней работе, выполненной совместно с моей дочерью, Хамсой Падманабхан и Томаллой Феллоу в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, оба этих числа связываются с космогенезисом — созданием Вселенной — и объясняется их точное значение. Наша работа, недавно опубликованная в Physics Letters B, показывает, что само существование космологической константы, как и её крохотное значение, можно представить как прямое следствие информационного содержимого космического пространства-времени [Padmanabhan, T. & Padmanabhan, H. Cosmic information, the cosmological constant and the amplitude of primordial perturbations. Physics Letters B 773, 81-85 (2017)]. Кроме того, анализ выдаёт правильное значение размера и формы малых флуктуаций ранней Вселенной.

Замечательная взаимосвязь этих фундаментальных констант имеет важное значение для нашего понимания Вселенной. В частности, она меняет наше понимание Большого взрыва и устраняет необходимость периода инфляции на ранней стадии Вселенной.

Большой взрыв, вероятно, является самой известной особенностью стандартной космологии. Но он ещё и не очень нужен для неё. Классическая модель Вселенной, описанная уравнениями Эйнштейна, перестаёт работать в условиях Большого взрыва, при бесконечной плотности и температуре — это та ситуация, которую физики называют сингулярностью.

Но что, если бы сингулярности не было? С 1960-х физики работали над описанием Вселенной без Большого взрыва, пытаясь объединить теорию гравитации и квантовую теорию в нечто под названием «квантовая гравитация». Физики Джон Уилер и Брайс Девитт первыми применили эти идеи к гипотетической догеометрической фазе Вселенной, в которой понятия пространства и времени ещё не появились из неизвестной пока структуры. Это привело к появлению квантовой космологии, в которой физики пытаются описать динамику простых, игрушечных моделей Вселенной квантовым языком. Стоит ли говорить, что за десятилетия внезапно появилось несколько различных, хотя и связанных между собою, идей описания догеометрической фазы. Объединяет их то, что классическая Вселенная без всякой сингулярности появляется через серию преобразований из догеометрической фазы в такую, в которой пространство-время описываются уравнениями Эйнштейна. Основная сложность построения такого описания состоит в том, что у нас нет полной теории квантовой гравитации, которая позволила бы нам детально моделировать догеометрическую фазу.


Эйнштейн несколько раз называл своё пристрастие к космологической константе в своих уравнениях грубой ошибкой. Сегодня физики считают, что она имеет положительное значение.

Введённый нами ключевой ингредиент, помогающий обойти эту техническую сложность — концепция космической информации. В последнее время идея того, что информация должна играть ключевую роль в описании физики, набирает всё больше поддержки. Она появляется в нескольких случаях, когда учёные пытаются скомбинировать принципы квантовой теории и гравитации — допустим, при изучении квантовых чёрных дыр. Также в некоторых из этих моделей существует интригующая идея голографии, утверждающая, что информационное наполнение объёмного региона может быть связано с информационным наполнением его границ. Но, к несчастью, математическое описание информации в разных случаях получается разным, и объединяющий принцип, применимый во всех случаях, пока не найден. Поэтому для применения идеи информации ко всей Вселенной нам сначала нужно было придумать для неё физически подходящее определение.

Используемое нами определение космической информации можно описать при помощи аналогии. Когда кусочек льда плавится и превращается в воду, происходит фазовый переход из твёрдого состояния в жидкое. Реальные процессы фазового перехода могут быть крайне сложными, но общее количество атомов льда будет таким же, как количество атомов воды. Это количество определяет количество степеней свободы системы, не меняющееся во время фазового перехода. Точно так же фазовый переход, приведший к появлению Вселенной, можно описать числом, связывающим количество степеней свободы в догеометрической фазе с количеством, присущим классическому пространству-времени. Используя это число, которое мы назвали космин [CosmIn], мы можем объединить две фазы Вселенной, и обойти сложности полной модели квантовой гравитации.

Космин, как физически наблюдаемое число, должен быть конечным. В отсутствии сингулярностей мы считаем, что все физические величины должны быть конечными. Кроме того, мы смогли показать, что космин будет конечным, только если Вселенная испытает ускоренную фазу расширения в поздний период существования — такую, какую мы сегодня наблюдаем. Эта связь не только говорит о наличии фундаментальной причины существования космологической константы, но и о способах подсчёта её числового значения — если нам будет известно значение космина.

Значение космина в догеометрической или квантово-гравитационной фазе Вселенной можно определить, используя результаты, периодически появляющиеся в разных моделях квантовой гравитации. Оказывается, что общее количество информации, переданной из квантово-гравитационной фазы в классическую фазу должно равняться несложному числу: 4π, площади сферы единичного радиуса. Используя этот факт, мы можем связать численное значение космологической константы со шкалой энергий, на которой Вселенная перешла из квантово-гравитационной фазы в классическую.

Эту энергетическую шкалу перехода можно связать со вторым загадочным свойством нашей Вселенной: величиной крохотных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной, выросших и сформировавших галактики и галактические скопления, видимые нами сегодня. Популярная система подсчёта размера этих флуктуаций использует инфляционные модели Вселенной, описывающие Вселенную, проходящую через невероятное большое и быстрое расширение в размерах. Но инфляционных моделей бывает очень много и они очень разные, и они могут выдать любое нужное значение. Также стоит отметить, что форма изначальных флуктуаций была получена Эдвардом Робертом Харрисоном в 1970-м (и независимо от него Яковом Зельдовичем), и называется спектром Харрисона-Зельдовича. Но люди забывают указать на то, что Харрисон получил свой результат более чем на десять лет раньше до изобретения инфляционных моделей!

Наша модель позволяет связать обе величины — величину космологической константы и размер изначальных флуктуаций — с масштабом энергии, на котором догеометрическая Вселенная испытала фазовый переход и стала классической Вселенной, в которой мы живём. И, внимание, когда мы подбираем правильную энергетическую шкалу, мы получаем правильное, наблюдаемое значение для обеих этих значений. Это ведёт нас к алгебраической взаимосвязи между космологической константой, величиной изначальных флуктуаций и космином. Мы можем перевернуть это отношение, используя наблюдаемые космологические параметры, и проверить, действительно ли значение космина равно 4π. Теория прекрасно проходит проверку; мы обнаруживаем, что космин, определяемый из наблюдений, равен 4π с точностью до 1/1000.

Удивительно, что сложная комбинация космологических параметров, считавшихся не связанными друг с другом, имеет такое простое значение. Общепринятым подходом будет рассмотреть такую связь как случайное совпадение. Мы же считаем, что она рассказывает нам нечто глубокое и прекрасное о нашей Вселенной.

Мы считаем, что мы сделали первую попытку связать численное значение космологической константы с размером флуктуаций в ранней Вселенной, и получить оба этих значения из модели, не обладающей подстраиваемыми параметрами, и связывающей их со шкалой энергии, на которой Вселенная начала существовать.

Все эти идеи существуют на более общей платформе квантовой гравитации, теории, которой у физиков, несмотря на почти пять десятилетий разработки, всё ещё нет. Одно из преимуществ нашей модели — ей не требуются подробности квантовой гравитации. Но она делает две важных подсказки по поводу природы квантовой гравитации и структуры пространства-времени. Во-первых, она говорит о том, что пространство-время нужно представлять состоящим из микроскопических степеней свободы, так, как материю, состоящую из атомов. Во-вторых, она утверждает, что в правильную теорию происхождения Вселенной должен входить фазовый переход от догеометрической фазы к классической фазе.

Эти подсказки могут ответить на ключевой вопрос: почему, после нескольких десятилетий работы, теоретики так и не объединили гравитацию и квантовую теорию? Мы считаем, что это лучше всего объяснить ещё одной аналогией. Мы знаем, что динамика жидкостей — непротиворечивая физическая теория, выражаемая через набор уравнений. Если взять их как фундаментальные и применить к ним принципы квантовой теории, мы можем открыть новое интересное явление — к примеру, фононы (кванты вибрации) и их взаимодействия. Однако при помощи такого подхода мы никак не сможем добраться до квантовой структуры материи.

Существуют свидетельства того, что описывающие гравитацию уравнения в этом смысле похожи на динамику жидкостей. Иначе говоря, переформулировка уравнений, описывающих гравитацию, с использованием принципов квантовой теории похоже на применение квантовых принципов к уравнениям динамики жидкостей. Мы не откроем квантовой структуры пространства-времени таким образом — и мы считаем, что из-за этого десятилетия попыток квантификации теории Эйнштейна закончились громким провалом.

Вместо этого нам необходимо переосмыслить природу гравитации и понять, что она говорит нам о микроскопической структуре пространства-времени. Такой подход физик Людвиг Больцман использовал, чтобы понять, что температурные явления требуют представления о материи, как о состоящей из дискретных степеней свободы (иначе говоря, атомов). Больцман, по сути, сказал, что если что-то может быть горячим, оно должно содержать микроскопические степени свободы.

Пространство-время тоже может обладать температурой и казаться горячим определённым наблюдателям. Эта идея появилась благодаря работам Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга в контексте чёрных дыр. Вскоре после этого в середине 70-х работы Билла Унриха и Пола Дэйвиса показали, что это — основное свойство пространства-времени. Скомбинировав парадигму Больцмана с тем фактом, что пространство-время — как и обычная материя — может быть горячим, вы придёте к выводу, что у пространства-времени должны быть внутренние степени свободы, как атомы в материи. Теоретические свидетельства в поддержку этого вывода начали появляться в последние годы [Padmanabhan, T. The atoms of spacetime and the cosmological constant. Journal of Physics: Conference Series 880, 012008 (2017)]. В этом наблюдении содержится ключ к пониманию микроструктуры пространства-времени, что быстро приводит к замечательным результатам.

Во-первых, эволюцию участка пространства-времени можно описать в терминах степеней свободы (или, что то же самое, информационного содержимого), находящегося в границах этого участка. Во-вторых, гравитация становится нечувствительной к изменениям на нулевом уровне энергии. В теории Эйнштейна гравитация отвечает за абсолютное количество энергии, из-за чего космологическую константу практически невозможно подсчитать. Но для парадигмы на основе информационного содержимого это не так. В-третьих, информационный подход говорит о том, что мы не должны представлять себе космическую эволюцию согласно определённому решению уравнений Эйнштейна. Эти уравнения возникают из более точного набора уравнений, описывающих квантовые степени свободы пространства-времени [Padmanabhan, T. Do We Really Understand the Cosmos? Comptes Rendus Physique 18, 275-291 (2017)].

Информационный подход, подтверждённый нашей моделью космина, даёт нам новую, яркую картину Вселенной, аналогичной большому куску льда, содержащему источник тепла. Источник тепла плавит лёд вокруг него, создавая участок из воды, который расширяется, достигая локального термодинамического равновесия. На крупных масштабах, ближе к границе фаз, молекулы ещё не достигли равновесия, поскольку кусок льда нагревается изнутри. Интересно, что это очень похоже на поведение нашей Вселенной. Участок с водой похож на наблюдаемую Вселенную (описываемую теорией Эйнштейна). Он окружён догеометрической фазой (похожей на лёд), описываемой неизвестными пока законами квантовой гравитации. Идея Большого взрыва исчезает, и вместо неё появляется переход из одной фазы к другой по их границе. Также исчезает необходимость в инфляционном периоде.

Вся платформа проста и элегантна, поскольку описывается единственным параметром: шкалой энергий фазового перехода ранней Вселенной от догеометрии к Эйнштейновской геометрии. Это отличается от обычных инфляционных моделей, содержащих множество параметров и не имеющих предсказательных возможностей. Наша модель не использует непроверенную физику. Единственный сделанный нами постулат — информационное наполнение Вселенной должно равняться 4π, площади поверхности единичной сферы.

Работа открывает три новых направления исследований. Первое, она приглашает нас изучить физику догеометрической фазы в различных моделях квантовой гравитации. Второе, она открывает возможность изучить идею космической информации, использованной в этой работе и попытаться связать её с другими похожими идеями, используемыми в других контекстах. Третье, она усиливает идею того, что пространство-время состоит из более элементарных степеней свободы — так, как материя состоит из атомов — и призывает нас изучать различные фазы пространства-времени так, как мы изучаем различные фазы материи в физике конденсированного состояния.

Тану Падманабхан — профессор в Межуниверситетском центре астрономии и астрофизики Индии.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 30
    +1
    устраняет необходимость периода инфляции на ранней стадии Вселенной

    А мне казалось, что гипотеза об инфляции подтверждается в т. ч. достаточной равномерностью реликтового излучения.

    описывающие гравитацию уравнения в этом смысле похожи на динамику жидкостей

    Уравнение неразрывности гравитационного потока по аналогии с зарядом.
      +1
      Критики гипотезы инфляции завсегда указывали, что если инфляция связана с локальнымми состояниями, а не с магическим дальнодействием, то она не уменьшает флюктуации.
      –2
      Если предположить, что информация имеет физическую природу, то момент большого взрыва, с которого принято начинать отсчет жизни видимой вселенной, можно представить как выполнение в информационном поле рекурсивной функции, при каждом внутреннем вызове которой происходит создание новых объектов материального мира.

      В качестве аргументов такой функции при первом вызове могут передаваться набор констант и базовых соотношений (физические законы), которые воспроизводятся при каждом новом рекурсивном вызове, а также предельный лимит исходного вещества. При этом можно допустить, что после очередного схлапывания вселенной и новом вызове рекурсивной функции, порождающей материальный мир, ей могут быть переданы совершенно произвольные аргументы (физические законы).

      Точкой выхода из данной функции может выступать минимальная средняя плотность вещества видимой вселенной, при снижении которого до определенного порогового значения вселенная начнет схлапываться (рекурсивная функция начнет возвращаться к исходной точке вызова).

      Можно также предположить, что вызов рекурсивной функции порождения материального мира может выполняться не последовательно после завершения предыдущего вызова, а асинхронно, т.е. в каждый момент времени могут в параллельных потоках выполняться несколько функций, число которых будет зависеть от емкости информационного поля.

      Отсюда вытекает гипотеза о том, что так называемая «темная материя» может представлять недоступную для текущей функции часть информационного поля, в которой выполняются другие рекурсивные функции (параллельные вселенные).

      Исходя из сделанных предположений следует вывод, если получить доступ к контексту вызова функции порождения текущего материального мира, то можно получить возможность вызова функции порождения материального мира с различными аргументами, тем самым конструируя миры с любыми заданными свойствами (физическими законами).
        0
        можно получить возможность вызова функции порождения материального мира с различными аргументами

        Нужно только не забыть про обработку исключений, а то, глядишь, ВСЁ упадет нахрен.
          0
          Та не, главное — пробелы вместо табуляций!
            0
            На самом деле главный вопрос — кто программист?
            +2
            Родился на улице Герцена. В гастрономе № 22. Известный экономист. По призванию своему библиотекарь. В народе — колхозник. В магазине — продавец. В экономике, так сказать, необходим. Это, так сказать, система… эээ… в составе 120 единиц. Фотографируйте Мурманский полуостров — и получаете te-le-fun-ken. И бухгалтер работает по другой линии. По линии «Библиотека». Потому что не воздух будет, а академик будет! Ну вот можно сфотографировать Мурманский полуостров. Можно стать воздушным асом. Можно стать воздушной планетой. И будешь уверен, что эту планету примут по учебнику.

            (из примеров монологов людей с шизофазией)
              0
              Еще пример ничуть не хуже:

              В рассматриваемой модели нас интересуют факторы, определяющие цены на квартиры, поэтому мы хотим получить упрощенное описание рынка квартир. Выбор нужных упрощений при построении модели — это своего рода искусство. Вообще говоря, мы стремимся выбрать простейшую модель, способную описать исследуемую нами экономическую ситуацию. Затем можно постепенно добавлять в эту модель усложняющие факторы, тем самым усложняя ее и, как мы надеемся, приближая к реальности.


              Вэриан Х.Р. Микроэкономика. Промежуточный уровень. Современный подход: Учебник для вузов/Пер. с англ.
                –1
                Ну и на десерт:

                Описание математики в Википедии:
                Идеализированные свойства исследуемых объектов либо формулируются в виде аксиом, либо перечисляются в определении соответствующих математических объектов. Затем по строгим правилам логического вывода из этих свойств выводятся другие истинные свойства (теоремы). Эта теория в совокупности образует математическую модель исследуемого объекта.

                Описание шизофрении в Википедии:
                Шизофренические расстройства в целом отличаются характерными фундаментальными расстройствами мышления и восприятия, а также неадекватным или сниженным аффектом. Наиболее частыми проявлениями болезни являются слуховые галлюцинации, параноидный или фантастический бред.


                Математики = шизофреники?
                  0
                  Нет, если Вы слегка помните школьную программу где-то за 5-6 класс.
                    0
                    А если уже давно забыл школьную программу, то значит утверждение верно?
                      0
                      Описание математики — это краткое описание курса математики за 5-11 класс. Если для Вас эта наука похожа на шизофрению, то я тут не причем.
                    0
                    А что в этом нового? Хорошо компенсированная шизофрения — ключ к гениальности.
                      0
                      Просто в контексте статьи мною предпринята попытка поразмышлять над вопросом — существующие теории о происхождении вселенной являются трудом «компенсированных шизофреников» или троллингом математиков?
                        0
                        Лет через полста ответ на Ваш вопрос будет очевиден. А до того этот «троллинг» всего лишь является поиском путей, без этого (пусть даже это информационный шум) ничего не получится.
                        Понятно, что нам, на научпоп-уровне, хотелось бы получать наиболее достоверное, раз уж проверить не можем. Но тут нам остаётся только рыдать.
                    0
                    (из примеров монологов людей с шизофазией)

                    Звучит на самом деле очень круто. Прямо как-будто абзац из новой книги Пелевина, или что-то типа.
                    0
                    Что будет, когда стек переполнится?
                      0
                      Если пространство информационного поля не занято, то ничего не случится, иначе произойдет рождение сверхновой звезды в видимой или параллельной вселенной.
                    +1
                    Работа открывает три новых направления исследований.

                    Три новых направления для грантов. Софистика. Где реальные данные, эксперименты?
                    Атомы пространства-времени? Что есть вообще время? Почему выдумывают всякую экзотику, а потом пытаются натянуть ее на голову природе.
                      0
                      Обратите внимание на семейные фамилии. Кто не работал или не имел дел с людьми с подобными фамилиями врядли увидит всю закавыку.
                        0
                        Эксперименты какого рода вы хотите увидеть по обсуждаемой теме? Создание вселенной в лабораторной пробирке?
                          0
                          Это уже по Беляеву: )
                          0
                          Просто теорию эфира опровергли, а эфириты остались.
                          0

                          Молодцы, папа с дочкой:
                          "пространство-время нужно представлять состоящим из микроскопических степеней свободы, так, как материю, состоящую из атомов…
                          нам необходимо переосмыслить природу гравитации и понять, что она говорит нам о микроскопической структуре пространства-времени."


                          Наверное, они в курсе экспериментов Штейнхауэра, который "переосмыслил природу гравитации". Он буквально представил пространство-время, текущее к чёрным дырам и образующее их гравполе, состоящим из атомов. Из переохлаждённых атомов рубидия, когда в своей модели горизонта ЧД искал и нашёл аналог излучения Хокинга.


                          Эти индийские физики пишут:
                          "Существуют свидетельства того, что описывающие гравитацию уравнения в этом смысле похожи на динамику жидкостей. Иначе говоря, переформулировка уравнений, описывающих гравитацию, с использованием принципов квантовой теории похоже на применение квантовых принципов к уравнениям динамики жидкостей. Мы не откроем квантовой структуры пространства-времени таким образом — и мы считаем, что из-за этого десятилетия попыток квантификации теории Эйнштейна закончились громким провалом."


                          Значит, ошибочным был подход к квантованию уравнений гравитации. Кванты пространства-времени должны поглощаться материей тел, а такого аналога нет в уравнениях динамики жидкостей, даже квантованных.
                          Странно, что физики так долго игнорируют необходимость поглощения квантов пространства — элементов среды — для обеспечения постоянного притока пространства/среды к массивным телам, который имеет очевидные проявления гравполя тел. Но теперь, похоже, дело пойдёт в нужном направлении.
                          Если новаторам потребуются философские обоснования такой природы гравитации — моя эволюционная модель мира им в помощь.

                            0
                            Как я писал выше, аналогия между гравитацией (как и электрическим полем — тот же закон типа Кулона) и течением жидкости есть —
                            уравнение непрерывности.
                            Есть поток гравитационного поля и его плотность. Нерелятивистские уравнения Максвелла вполне можно переложить на гравитационное поле, начиная с уравнения типа:
                            div g = 4 pi ro, после чего введя гравимагнитную силу и прочие уравнения типа:
                            аналог уравнения Фарадея — Максвелла.
                            Поток гравитационного поля тогда будет поглощаться массой не хуже, чем электрического — зарядами.
                            0

                            Теория «Вечного льда», уже предлагали

                              0
                              Вполне элегантная теория вырисовывается. Вроде есть в инфляционных моделях такая, где большой взрыв рассматривается как переход вакуума из ложного состояния в современное (кстати тоже не совсем нулевое, поле Хиггса то не нулевое у нас). Т.е. в некоторой точке произошла некоторая флуктуация, вакуум перешел в другое состояние и началась цепная реакция — пространство с новым состоянием вакуума стало расширяться со скоростью света. Не само пространство стало расширяться, а состояние вакуума этого пространства, с перестройкой всех его физических констант. В этой теории постулируется нечто подобное. Они пишут о неком фазовом переходе пространства из одного состояния с определенными физическими параметрами к другому состоянию. И параметры эти связаны в рамках определенной модели. Очень интересно.
                                0
                                О, читал про такое. И якобы в будущем возможен переход в более чистый/глубокий вакуум. Только мне кажется, это маловероятно.
                                0
                                Тема си идеи космической информации не раскрыта. Тбе идей-о космической информации и до них излагалось множество. Как они там степени свободы кванта пространства времени считали?
                                  0
                                  Определённая новизна подхода — не заниматься спекуляциями о природе квантов пространства-времени, но сфокусироваться на макроуровне и поддающихся наблюдению последствиях.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое