Наприкінці 2019 року палеонтологи повідомили про виявлення плоского скам'янілого панцира черепахи, на який "ймовірно, наступив динозавр". Відбитки ящера "чітко видно" прямо над скельним утворенням.
Рідкісна знахідка скам'янілостей може розповісти про два види тварин одразу, тому дослідники заговорили про "відновлення стародавньої екосистеми", що виглядає дещо фантастично. Мало хто знає, але палеонтологи мають у своєму розпорядженні недостатній фактичний матеріал, щоб робити настільки великі висновки. А однієї архаїчної знахідки явно недостатньо для побудови правдоподібної теорії.
Парні кореляції та інші геометричні фігури Всесвіту
Утім, такий підхід схожий на те, як космологи виводять з нічого історію Всесвіту. Скам'янілості, як і астрономічні об'єкти, не випадково розкидані в просторі. Саме просторове розташування, а також їхня гравітаційна взаємодія, здатні багато чого розповісти про давню історію космосу.
"Палеонтологи роблять висновок про існування динозаврів, щоб пояснити дивні візерунки на кістках, - каже Німа Аркані-Хамед, фізик і космолог з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, штат Нью-Джерсі. - Ми сьогодні спостерігаємо візерунки в космосі і робимо висновки з історії космології, щоб пояснити їх".
Протягом десятиліть космологам відома дивна закономірність: простір заповнений парами споріднених об'єктів - пари гарячих точок, видимих на картах телескопів раннього Всесвіту, - пари галактик або скупчень галактик і надмасивних галактик у сучасному Всесвіті.
Якщо ми говоримо про скупчення галактик, то пари зустрічаються на будь-яких відстанях одна від одної. Виникають так звані "двоточкові кореляції", якщо переміщати лінійку по всьому небу. Коли на одному кінці знаходиться один об'єкт, вчені одразу ж стверджують, що його "спаринг-партнер", найімовірніше, розташувався на іншому кінці досліджуваного простору.
Найпростіше пояснення кореляцій пов'язане з подвійними квантовими коливаннями, що виникли під час експоненціального розширення на початку Великого вибуху. Пари частинок, які з'явилися трохи пізніше, переміщалися, а пізніше створили парні об'єкти, що знаходяться далеко один від одного.
Однак пари, що з'явилися пізніше, розділилися меншою мірою і тепер утворюють більш щільні об'єкти. Можна припустити, що, подібно до скам'янілостей, парні кореляції кодують перебіг часу - в даному випадку, початок часу.
Космологи вважають, що рідкісні квантові флуктуації за участю трьох, чотирьох або навіть більше частинок також відбулися "під час" народження Всесвіту. Вони створюють складніші конфігурації об'єктів: трикутне розташування галактик, а також чотирикутники, п'ятикутники та інші форми. Нашим телескопам ще належить виявити ці статистично тонкі "вищі точки", а фізикам розібратися, що відбувалося на початку часів, через мить після Великого вибуху.
Однак теоретики вважають, що обчислити, який вигляд матиме сигнал, досить складно. За останні чотири роки невелика група фізиків вирішила цю проблему по-новому. Вони виявили, що форма кореляції випливає безпосередньо із симетрії та інших глибоких математичних принципів. Найважливіші висновки докладно викладені в роботах Аркані-Хамеда і трьох його співавторів.
Учені використовують стратегію, звану бутстраппінгом - термін, що походить від фрази "підтягуватися за допомогою бутстрапа" (замість того, щоб відштовхуватися від землі). Цей метод дає змогу вивести природні закони, враховуючи лише математичну логіку та самоузгодженість законів, а не спираючись на емпіричні дані.
Використовуючи цю філософію, вчені вивели і вирішили акуратне математичне рівняння, яке вказує на можливі корелюючі візерунки на небі, створені найдавнішими астрономічними об'єктами.
Том Хартман, фізик-теоретик із Корнельського університету, який застосовував бутстраппінг і в інших випадках, упевнений:
"Вони знайшли обчислювальні методи, які повністю відрізняються від методів підручника".
Єва Сільверштейн, фізик-теоретик зі Стенфордського університету, яка не брала участі в дослідженні, додає, що нещодавня робота Аркані-Хамеда та його колег - це "дуже гарний внесок".
Можливо, найбільш вражаючий аспект роботи, на її думку, - натяк на природу часу. Річ у тім, що в новому рівнянні ніде немає змінної "час". Однак воно пророкує космологічні трикутники, прямокутники та інші форми різних розмірів, вибудовуючи правдоподібну історію появи та еволюції квантових частинок на початку часів.
Це дозволяє припустити, що часова версія історії космосу може бути ілюзією. Час можна розглядати як побічну змінну, голограму, що виникає з космічних просторових кореляцій, які самі випливають із фундаментальних симетрій.
Одним словом, альтернативна космологія пояснює, чому час починається і чому він закінчується. Як висловився Аркані-Хамед, "те, чим ми керуємося, - це сам час".
Карта початку часу
У 1980 році Алан Гут, розмірковуючи про особливості космологічної історії, припустив, що Великий вибух почався з раптового сплеску експоненціального розширення, так званої "інфляції".
Два роки потому багато провідних космологів світу зібралися в Кембриджі, щоб обговорити деталі нової теорії. Під час тритижневого Наффілдського симпозіуму команда у складі Гута, Стівена Гокінга і майбутнього Королівського астронома Мартіна Ріса зібрала воєдино свої припущення і сформувала догму, якої досі дотримується вся академічна спільнота.
Крім того, наприкінці семінару кілька учасників окремо розрахували, що квантові флуктуації під час космічної інфляції справді можуть відбуватися з потрібною швидкістю і розвинутися таким чином, щоб спричинити спостережувані зміни щільності у Всесвіті.
Яка логіка процесу? Уявіть собі гіпотетичне енергетичне поле, яке приводить у рух інфляцію Всесвіту. Виникає експоненціальне розширення простору, у ньому спонтанно з'являються пари частинок, спочатку у вигляді пульсацій уже в квантовому полі.
Такі пари ременно запозичують енергію з квантового поля відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга.
За нормальних обставин пульсації швидко анігілюють і зникають, повертаючись в енергію. Але під час інфляції цього не відбувається. У міру розширення простору, пульсації розтягуються і "застигають" у вигляді подвійних піків щільності. У міру того як всесвіт розширювався, піки утворювали вкладені візерунки на всіх масштабах.
Просторова варіація щільності "консервувалася" після закінчення інфляції. Дослідження стародавнього світла показали, що щільність юного Всесвіту змінювалася приблизно на 1 частину на 10 000 років.
За наступні 13,8 мільярда років гравітація посилила контрасти, притягаючи матерію до щільних точок: такі галактики, як Чумацький Шлях і Андромеда, зараз у мільйон разів щільніші, ніж середня щільність решти матеріального світу.
Потім космологи почали задаватися питанням: які інші поля або додаткові механізми чи компоненти існували під час космічної інфляції?
Вважається, що інфляційне поле взаємодіє, принаймні, з гравітаційним полем. Оскільки поля мають тенденцію квантово-механічно переповнювати одне одного, коли пара частинок матеріалізується в інфляційному полі та віддаляється за допомогою "розширення Всесвіту", один "компаньйон" пари має спонтанно перетворитися на дві частинки гравітона - таким чином відбувається збудження гравітаційного поля.
За логікою, інфляційні частинки, що залишилися, продовжили розділятися, застигаючи в просторі й утворюючи трикутне розташування концентрованої енергії. Водночас, якщо існувала пара вихідних частинок-хвиль, то кожна частинка розпалася на дві інші, що породило чотирьохточкову кореляцію.
Але якщо двоточкові кореляції телескоп бачить дуже чітко, то триточкові та вищі кореляції зустрічаються рідше, а тому їх важче виявити. Досі ці сигнали були загублені в шумі, хоча кілька потужних телескопів, які з'являться в наступному десятилітті, можливо, їх зафіксують.
Мисливці за космологічними копалинами шукають сигнали, малюючи карту Всесвіту і переміщаючи по ній трикутний патерн. Для кожного положення й орієнтації шаблону вони вимірюють щільність Всесвіту за трьома кутами і перемножують ці числа.
Якщо відповідність відрізняється від середньої космічної щільності, то це, за ідеєю, і є триточкова кореляція.
Варіації сили космологічних кореляцій залежно від різних форм і розмірів називаються "кореляційними функціями", і вони містять багату інформацію про динаміку частинок під час народження Всесвіту.
Загалом, ідея така. Були спроби наближено визначити форму триточкової кореляційної функції, але в контексті експоненціального розширення простору спробувати обчислити динаміку взаємодіючих первісних частинок, що взаємодіють, непереборно складно.
У 2002 році Хуан Мальдасена, фізик-теоретик з Інституту перспективних досліджень, зумів розрахувати триточковий кореляційний патерн, створений взаємодією інфлатонів і гравітонів. Розрахунки Мальдасени запустили цілу галузь, оскільки дослідники застосували його методи для розрахунку більш високоточних характеристик інших інфляційних моделей, що припускають наявність додаткових полів і пов'язаних з ними частинок, крім інфлатонів і гравітонів.
Проста симетрія
У березні 2014 року вчені з телескопа BICEP2 оголосили, що вони виявили небесні вихори, зафіксовані парами гравітонів під час космічної інфляції. Незабаром було встановлено, що вихровий візерунок виник із галактичного пилу, і не є подією початку часів. Однак сам факт вимірювання підштовхнув фізиків, зокрема Аркані-Хамеда і Мальдасена, до переосмислення фізичної природи інфляції.
Об'єднавши свої знання, вони зрозуміли, що розширення Всесвіту нагадує надпотужний колайдер частинок. Енергія інфляційного поля призводить до створення численних пар частинок, а їхня взаємодія та розпад створюють вищі точкові кореляції, схожі на каскади частинок, що вилітають під час зіткнень на європейському Великому адронному колайдері.
<img class="center" style="display: block; margin-left
