Уважний погляд на фундаментальні симетрії виявив приховані закономірності у всесвіті. Фізики вважають, що одні й ті самі симетрії позначають початкову "точку відліку", що породила час.
Наприкінці серпня 2019 року палеонтологи повідомили про виявлення скам'янілостей сплощеного панцира черепахи, на яку, можливо, наступив динозавр, і чиї сліди охоплювали шар гірських порід над-юрського періоду. Рідкісне виявлення взаємопов'язаних скам'янілостей потенційно сприяє опису двох видів тварин.
Це аналог того, як космологи роблять висновок про історію Всесвіту. Подібно до скам'янілостей, астрономічні об'єкти не випадково розкидані по всьому космосу. Скоріше, просторові кореляції між розташуваннями таких об'єктів, як галактики, детальніше розкажуть історію найдавнішого минулого.
"Палеонтологи роблять висновок про існування динозаврів, бо по-іншому раціонально пояснити дивні структури кісток неможливо", - каже Німа Аркані-Хамед, фізик і космолог з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, штат Нью-Джерсі. - "Ми сьогодні дивимося на закономірності в космосі і виводимо космологічну історію, щоб їх пояснити".
Космологам відома одна цікава модель, згідно з якою простір заповнений взаємопов'язаними парами об'єктів - гарячими точками, які можна побачити на картах раннього Всесвіту; галактичними парами або скупченнями галактик. Такі пари знаходять по всьому простору досліджуваного космосу. Ба більше, ви самі можете побачити ці "двоточкові кореляції", переміщаючи лінійку по карті неба. Коли виявляється один об'єкт, то велика ймовірність появи "пари" мало не на іншому кінці світу.
Найпростіше пояснення кореляцій сходить до пар квантових частинок, які коливалися в період свого інфляційного зародження, оскільки простір експоненціально розширювався на початку Великого вибуху. Пари частинок, що виникли на ранніх етапах, згодом ніби "розсунули" простір, унаслідок чого утворилися пари, розкидані далеко одна від одної.
Пізніші пари віддалялися одна від одної на меншу відстань, народжувалися ближчі об'єкти. Можна припустити: подібно до копалин, парні кореляції, видимі по всьому небу, кодують перебіг часу - у цьому разі, самий початок часу.
Космологи вважають, що рідкісні квантові флуктуації за участю трьох, чотирьох і більше частинок також мали відбутися в момент зародження Всесвіту. Мабуть, сьогодні вони дали більш складні утворення: трикутні розташування галактик, а також чотирикутники, п'ятикутники та інші форми. Нібито телескопи ще не виявили ці статистично тонкі кореляції "вищої точки", але їхня кодифікація допоможе фізикам краще зрозуміти перші моменти після Великого вибуху. Якщо, звісно, такі існують.
І все ж теоретикам складно навіть розрахувати, який вигляд мають такі сигнали - тоді і зараз.
За останні чотири роки невелика група дослідників підійшла до цього питання по-новому. Вони виявили, що форма кореляцій безпосередньо випливає із симетрій та інших глибоких математичних принципів. Найважливіші на сьогоднішній день результати докладно викладені в статті Аркані-Хамеда і трьох співавторів, яка була опублікована влітку минулого року.
Фізики використовували стратегію, відому як бутстрап. Цей підхід виводить закони природи тільки на основі математичної логіки і самоузгодженості законів, без опори на емпіричні дані. Використовуючи філософію початкового завантаження, дослідники вивели і нашили коротке математичне рівняння, яке описує можливі закономірності "небесної" кореляції, а також компоненти майбутнього всесвіту, які виникають з початкових компонентів.
Єва Сільверстейн, фізик-теоретик зі Стенфордського університету, яка не брала участі в дослідженнях, уточнює, що нещодавня стаття Аркані-Хамеда і його співробітників - "справді гарний внесок". Можливо, найчудовіший аспект роботи, за словами Сільверстейн, - перевизначення природи часу. У новому завантажувальному рівнянні ніде немає змінної t. Однак запропонована концепція передбачає космологічні трикутники, прямокутники та інші форми всіх розмірів, включно з історією виникнення та розвитку квантових частинок на початку часу.
Це говорить про те, що часова версія космології може бути ілюзією. Час можна розглядати як вимір, що "виникає", свого роду голограму, що виникає з просторових кореляцій всесвіту, які самі по собі, здається, походять з основних симетрій. Простіше кажучи, цей підхід пояснює, чому час почався і чому він може закінчитися.
Карта початку часу
У 1980 році космолог Алан Гут, обмірковуючи низку космологічних особливостей, припустив, що Великий Вибух почався з раптового сплеску експоненціального розширення, відомого як "космічна інфляція".
Два роки потому багато провідних космологів світу зібралися в Кембриджі, Англія, щоб згладити деталі нової теорії. Під час тритижневого семінару в Наффілді група, до якої входили Гут, Стівен Гокінг і Мартін Ріс, об'єднали ефекти короткого інфляційного періоду на початку часу. До кінця семінару кілька учасників розрахували, що квантове розмежування під час космічної інфляції могло справді відбуватися таким чином, щоб призвести до спостережуваних змін щільності у Всесвіті.
Інакше кажучи, теорія Великого Вибуху була канонізована і підігнана під наявний у вчених математичний апарат, а також розуміння початкової "точки відліку" Всесвіту.
Але як описати гіпотетичне енергетичне поле, що викликало космічну інфляцію? Оскільки це поле енергії приводило в рух експоненціальне розширення простору, пари частинок могли б мимовільно виникати в перші мікросекунди, тим самим породивши і час. Такі квантові частинки можна також розглядати як свого роду "брижі" у квантовому полі. Відомо, що такі пари весь час спливають у квантових полях, миттєво запозичуючи енергію з поля, що припустимо принципом невизначеності Гейзенберга. Зазвичай брижі швидко анігілюють і зникають, повертаючи енергію. Чого не могло статися під час інфляції. Коли простір "надувся", готуючись до всесвіті, що розширюється, брижі розтягнулися і розлетілися, "замерзаючи" як подвійні піки щільності. У міру продовження процесу піки утворювали вкладений малюнок на всіх шкалах.
Після того, як інфляція закінчилася (частки секунди після її початку), варіації просторової щільності залишилися. Дослідження космічного мікрохвильового фону показали, що дитячий всесвіт був неоднорідним, різниця в щільності оцінюється приблизно в 10000 разів (між "крайніми" точками).
Протягом майже 13,8 мільярдів років відтоді гравітація посилювала контраст, притягуючи речовину до щільних плям: тепер галактики, як-от Чумацький шлях і Андромеда, в 1 мільйон разів щільніші, ніж у середньому по космосу. Як писав Гут у своїх мемуарах, "той самий принцип невизначеності Гейзенберга, який керує поведінкою електронів і кварків, може також бути відповідальним за Андромеду і Велику стіну!"
Пізніше космологи почали замислюватися про те, які ще поля або додаткові механізми існували під час космічної інфляції, крім поля інфлатонів, і як вони могли змінити сам процес народження. Передбачається, що інфлатонне поле має принаймні взаємодіяти з гравітаційним полем за умови існування останнього, що не факт.
Оскільки поля взаємодіяли між собою на квантово-механічному рівні, коли пара частинок матеріалізувалася в полі інфлатона і розривалася космічним розширенням, одна частинка мала мимоволі перетворитися на дві - і, імовірно, "запустити" гравітаційне поле. Ця пара і частинка інфлатона, що залишилася, продовжували розділятися, "замерзаючи" в просторі і створюючи трикутне розташування концентрованої енергії.
Однак телескопи чітко бачать тільки двоточкові кореляції. Кореляції з трьома і вищими точками - більше припущення, ніж реальність. Астрономи стверджують, що їх найважче виявити. Ці сигнали досі приховані від шуму, хоча кілька потужних телескопів, які з'являться в наступному десятилітті, мають шанс класифікувати відповідним чином отримані дані.
Космологи все ж не сумують і шукають викопні сигнали, приміряючи всюди "трикутний шаблон". Для кожної позиції та орієнтації шаблону вимірюють густину космічної речовини і проектують на модельний ряд. Якщо відповідь відрізняється від середньої космічної густини (у третьому ступені), це означає триточкову кореляцію. Зміна сили космологічних кореляцій як функції різних форм і розмірів називається "функцією кореляції", і вона кодується динамікою нових частинок, що з'явилися під час народження Всесвіту.
У 2002 році Хуан Малдасена, фізик-теоретик з Інституту перспективних досліджень, успішно розрахував математичні послідовності триточкових кореляцій, що виникають у результаті взаємодії інфлатонів і гравітонів. Розрахунки Мальдасени поклали початок нового напряму, оскільки дослідники застосували його методи для визначення сигнатур вищих точок інших інфляційних моделей, які встановлюють додаткові поля і пов'язані частинки за межами інфлатонів і гравітонів.
Але метод Мальдасени для розрахунку динаміки первинних частинок був складним і концептуально непрозорим. "Скажімо так: це досить складно", - стверджує Гі Піментел, фізик з Амстердамського університету і співавтор нової космологічної статті.
Проста симетрія
У березні 2014 року вчені за допомогою телескопа BICEP2 виявили "вихори", що являють собою гравітаційні залишки космічної інфляції. Вихровий патерн був швидко визначений як похідна галактичного пилу, а не подія незапам'ятних часів, після чого багато фізиків, зокрема Аркані-Хамед і Мальдасена, замислилися над необхідністю заново описати інфляцію.
Об'єднавши свій досвід, два фізики припустили, що космічна інфляція описується термінами надпотужного колайдера частинок. Енергія інфлатонного поля сприяла рясному утворенню пар частинок, чиї взаємодії і розпад призвели до кореляцій вищого рівня. Процес, подібний до каскадів частинок, що вилітають після зіткнень на Великому адронному колайдері.
Зазвичай таке переосмислення не призводить до наукових революцій. Взаємодії частинок можуть протікати незліченними способами, і стандартний метод прогнозування найімовірніших результатів - по суті, прийняття зваженої більшої кількості можливих ланцюжків подій, - це складне завдання, важке для опису. Але фізики нещодавно знайшли ярлики, що використовують бутстрап.
Використовуючи симетрії, математичну логіку та умови узгодженості, вони визначили остаточну відповідь, навіть не опрацювавши складну динаміку частинок. Розрахунки натякають на те, що звичайна картина фізики елементарних частинок, де останні рухаються та взаємодіють у просторі й у часі, може виявитися не найкращим способом опису процесів, що відбуваються на мікро- та макрорівнях.
З огляду на ці відкриття, Аркані-Хамед і Мальдасена запідозрили, що вони можуть прийти до простішого розуміння динаміки космічної інфляції. Вони використали той факт, що, згідно з інфляційною космологією, всесвіт Стівена Гокінґа, який експоненціально розширюється, мав майже точну геометрію "простору де Сіттера", сфероподібного простору, який має 10 симетрій, або способів, що можуть бути перетворені й при цьому залишатися незмінними.
Деякі з цих симетрій знайомі і залишаються чинними сьогодні, наприклад, рух або поворот у будь-якому напрямку. Закони фізики залишаються незмінними. Простір де Сіттера також враховує симетрію дилатації: коли ви збільшуєте або зменшуєте масштаб, усі фізичні величини залишаються незмінними або, щонайбільше, масштабуються постійним числом. Нарешті, простір де Сіттера симетричний щодо спеціальних конформних перетворень: інвертуються всі просторові координати.
Дует виявив, що ці 10 симетрій всесвіту, що розширюється, обмежують космологічні кореляції, які створюються інфляцією. Беручи до уваги, що за звичайного підходу описуються інфлатони та інші частинки, які могли б існувати; припускаючи, як вони можуть рухатися, взаємодіяти та взаємоперетворюватися; намагаючись виробити просторовий патерн, вчені перевели 10 симетрій простору де Сіттера в коротке диференціальне рівняння, що диктує остаточний варіант початку часу. У статті 2015 року вони вирішили рівняння в "стислій межі" на прикладі дуже вузьких трикутників і чотирикутників, але не змогли вирішити його повністю.
Незабаром Даніель Бауманн і Хейден Лі, тодішній професор і аспірант у Кембриджському університеті, запропонували своє рішення рівняння Аркані-Хамеда і Малдасени для трьох- і чотирьохточкових кореляційних функцій для діапазону можливих споконвічних полів і пов'язаних частинок. Аркані-Хамед розпочала співпрацю з молодими фізиками, четверо з яких працювали з "чистою математикою".
Вони виявили, що певна чотириточкова кореляційна функція є ключовою, тому що, розв'язавши диференціальне рівняння, що описує цю функцію, вони можуть описати й решту процесів, що виникли після великого Вибуху.
"Вони здебільшого показали, що симетрії з кількома додатковими вимогами досить сильні, щоб знайти правильну відповідь", - каже Сінган Чен, космолог із Гарвардського університету, чиї власні розрахунки щодо кореляцій вищих точок надихнули Аркані-Гамеда та Мальдасену у 2015 році.
Одним із застережень є те, що рівняння початкового завантаження припускає слабкі взаємодії між первинними полями, в той час як деякі моделі інфляції вимагають наявність більш сильної динаміки. Аркані-Хамед і компанія вивчають, як вирішити проблему слабких кореляцій. Так, запропоноване ними рівняння спрощує багато наявних розрахунків. Наприклад, обчислення Мальдасени 2002 року найпростішої триточкової кореляційної функції, яка займала десятки сторінок, тепер зводиться до кількох рядків. Але цього недостатньо.
Досі розрахунки стосувалися просторових закономірностей, які нібито виникають унаслідок космічної інфляції. Передбачається, що альтернативні теорії народження Всесвіту матимуть різні сигнатури вищого рівня.
За останні п'ять років знову виник інтерес до космології відскоків, яка перетворює Великий Вибух на Великий Відскік попередньої епохи. Новий підхід, заснований на симетрії, може бути корисний для проведення відмінностей між кореляціями між всесвітом, що розширюється, і тим, який "відскочив".
"Механізм буде іншим, симетрії різні", - каже Піментел. - "У них інше меню космологічних кореляцій".
Це додаткові розрахунки для нових математичних інструментів. Дослідники також продовжують вивчати саму математику. Аркані-Хамед підозрює, що отримане рівняння початкового завантаження може бути пов'язане з геометричним об'єктом на кшталт амплітедра, який ще простіше та елегантніше кодує кореляції, що виникають під час народження всесвіту. Нова історія не міститиме змінну, відому як час.
Звідки приходить час
Зіткнення частинок породжує тимчасові події - з точки зору позатемперальної геометрії. У 2013 році багато фізиків припустили: змінна, яку ми сприймаємо як час, не вписана у фізичні закони нашої реальності.
Усе починається з Великого вибуху.
Великий вибух стався, коли виник час. І в цьому весь парадокс: народився не простір, це час виник. Істинне розуміння початкового моменту, схоже, потребуватиме деякої перспективи, бо час матеріальний і описується "стандартними методами".
Є тільки одна заковика. Потрібна позатемпоральна математика, яка породжує те, що виглядає як всесвіт Гокінга. Тільки тоді ми опишемо і всесвіт, і сам час. І зрозуміємо механізм його "роботи".
P.S.
Проблема ще в тому, що ми не відокремлюємо час від стандартної космологічної моделі. Ми несвідомо прагнемо описати еволюцію Всесвіту від дуже гарячого і щільного стану до сьогодення. А без часу — чим би він не є — це неможливо.
А відтак, час також не відокремлений від простору-часу, чотиривимірного континууму, що приймається в якості лагідної для фізиків математичної моделі: окремо “простір” і “час” в наших метриках не існує.
Разом із тим Великий вибух дійсно можна вважати початком часу, оскільки він знаменує собою найперший момент, коли починаються сучасні фізичні закони.
Однак ця перспектива стикається з обмеженнями на сингулярність, коли наші фізичні закони ге діяли. Саме тоді існували “доісторичні часи”, себто часи без фізичного часу.
Тому стандартна космологічна модель не пояснює, чому стався Великий вибух, або що таке початкові умови Всесвіту (власне кажучи, всесвіт — це дещо, що існує в просторі протягом часу).
Інша перспектива базується на квантовій гравітації - гіпотетичній теорії, яка намагається об'єднати квантову механіку і загальну теорію відносності,.
Очікується, що квантова гравітація надасть більш фундаментальний опис простору-часу, а також вирішить проблему сингулярності та невідповідності класичної теорії.
Але для цього потрібна нова математика й нова фізика. Можливо, така, що не враховує і час, і маси, і гравітацію, а також електромагнетизм як особливий прояв гравітації (або навпаки). Якщо це так, то ми ще довго будемо чекати на революцію в космології.
Цілком можливо, що нам доведеться переглянути або відмовитися від деяких з наших традиційних уявлень про час і дослідити нові концепції та рамки, які пояснюють таємниці та парадокси квантової теорії поля та космології.
Джерело: Quantum Magazine
