Квантов генезис: Появата на плоска вселена и нейното огледало от нищото

Ваня Милева Последна промяна на 24 март 2025 в 00:00 2184 0

космическа мъглявина

Кредит Unsplash/CC0 Public Domain
Нашата вселена не е възникнала от класическа сингулярност, а от нищото чрез плавен, квантов процес.

Астрофизиците продължават да се опитват да разгадаят фундаменталната мистерия за произхода на нашата вселена.

Алтернатива на традиционните модели на космологията, базирани на сингулярност, предлага Наман Кумар (Naman Kumar). В статията си в Science X Dialog той разказва за изследването си, в което вместо вселена, възникваща от безкрайно плътна точка, предлага плоска вселена и нейният обърнат във времето партньор – антивселена – които могат да възникнат заедно от нищото чрез обичаен квантов процес.

Този модел, описан в статия, приета за публикуване в Europhysics Letters, обръща внимание на някои от ключовите предизвикателства в по-ранни предположения, като подхода без граници на Хартъл-Хокинг и тунелния подход на Виленкин.

Тунелния подход на Виленкин

В предположението на Александър Виленкин (Alexander Vilenkin) от Университета Туфтс нашата разширяваща се вселена се ражда чрез тунелиране през бариера от нищото при нулев мащабен фактор.

Основната концепция на енергийната бариера може да се покаже с помощта на следната аналогия. Представете си топка, която се търкаля в падина между два хълма. Дори при липса на триене, топката ще се търкаля само напред и назад в падината, но никога няма да премине от другата страна, защото няма достатъчно енергия, за да се изкачи на хълма, разделящ двете падини. Хълмът е енергийната бариера, която предотвратява преминаването от едната падина в другата. Топката е затворена в падината наляво, независимо, че дясната падина съответства на по-ниска енергия.

В класическата физика има строги закони, които не могат да бъдат заобиколени. Например, ако на търкаляща се топка й липсва достатъчно енергия, тя няма да прескочи хълм; вместо това ще се върне надолу, преди да достигне върха. В квантовата физика този принцип не е толкова строг. Тук една частица може да премине бариера, дори и да няма достатъчно енергия, за да я преодолее. Той действа така, сякаш се плъзга през тунел, поради което феноменът е известен също като "квантов тунел".

Състоянието на Хартъл-Хокинг

Състоянието на Хартъл-Хокинг, наричано още като вълнова функция без граници, е предположение в теоретичната физика относно състоянието на Вселената преди епохата на Планк. Кръстен е на Джеймс Хартъл и Стивън Хокинг.

Схема на Големия взрив и на състоянието на Хартъл-Хокинг. Кредит:Wikimedia Commons

Според предположението на Хартъл-Хокинг, Вселената няма произход. За разлика от общоприетата теория, при която преди около 13,8 милиарда години Вселената е била сингулярност както в пространството, така и във времето, Хартъл и Хокинг предполагат, че ако можехме да пътуваме назад във времето към началото на Вселената, щяхме да забележим, че съвсем близо до това, което може да е било началото на Вселената, времето отстъпва място на пространството, така че има само пространство, а не време. Според теорията времето, както се наблюдава в момента, се е отклонило от измерението с три състояния, след като Вселената е излязла от ерата на времето на Планк.

Теоретичен фон

Традиционните модели на космическо сътворение често включват Евклидово пространство - фаза, в която времето се държи по-скоро като пространствено измерение - за да заобиколят проблема със сингулярността. Предположението на Хартъл-Хокинг представя вселена, възникваща от гладка, компактна геометрия, но обикновено прогнозира твърде малко инфлационни е-гънки (интервалът от време, в който експоненциално нарастващо количество се увеличава или намалява с коефициент e), за да съответства на наблюденията. Междувременно тунелният подход на Виленкин, макар и съвместим със стабилен инфлационен период, се бори да генерира правилно спектъра на космическите флуктуации.

Ключов елемент, който липсва в тези подходи, е включването на механизъм, който естествено обяснява плоската вселена, както се наблюдава днес. В класическата космология пространствената кривина играе критична роля. Въпреки това, наблюденията показват, че нашата Вселена е почти плоска (k = 0). Това прекъсване на връзката ме накара да помисля дали друга съставка - по-специално квантовият потенциал - може да поеме ролята, която обикновено се запазва за кривината.

Моделът на Кумар 

В своя модел Наман Кумар предполага, че нашата вселена не е възникнала от класическа сингулярност, а вместо това е възникнала от евклидова фаза чрез квантовата механика. Същността на идеята е, че две разклонения - вселена и нейната обърната във времето антивселена - се създават едновременно. Ето как подхождам към него:

Евклидов инстантон: Процесът започва с евклидов инстантон, фаза, в която конвенционалното понятие за време се заменя с по-пространствено поведение. По време на тази фаза коефициентът на мащаба на Вселената, който ни казва за нейния размер, следва подобно на косинусова диаграма поведение. Това поведение гарантира, че Вселената се появява с краен размер в момента, в който времето започва, като по този начин се избягват безкрайните плътности, свързани със сингулярностите.

Квантовият потенциал като заместител на кривината: В квантовата област всяка частица се описва от вълнова функция, която включва не само класически потенциал, но и допълнителен квантов потенциал. Наман Кумар открива, че този квантов потенциал може ефективно да имитира ролята на пространствената кривина. Дори при k = 0, квантовият потенциал позволява плавен преход от евклидовата фаза към лоренцова фаза (нашата позната вселена, развиваща се във времето).

CPT симетрия и сдвояване на вселената/антивселената: Фундаментална симетрия във физиката, известна като CPT (симетрия на заряд, паритет и обръщане на времето), предполага, че процесите протичат в огледални двойки. В  модела на Кумар тази симетрия гарантира, че когато нашата вселена се появи в една времева посока, антивселената се появява в противоположната времева посока. Въпреки че тези два клона са класически разделени, те остават квантово механично вплетени, което може да има значителни последици за нашето разбиране за тъмната енергия и тъмната материя.

Космологични последици

Последствията от този модел се простират далеч отвъд произхода на космоса. Чрез естественото създаване на двойка вселена/антивселена, няколко дългогодишни загадки в космологията могат да намерят нови обяснения:

Избягване на първоначалната сингулярност: Тъй като Вселената възниква с краен мащабен фактор от евклидов инстантон, проблематичната сингулярност се избягва. Това не само разрешава голямо теоретично препятствие, но също така е в съответствие с мнението, че законите на физиката трябва да действаи добре и в началото на Вселената.

Инфлационно разширение: Използването на квантов потенциал позволява на модела да възпроизведе голям брой инфлационни e-гънки - фазата на бързо разширяване, необходима за обяснение на еднородността и плоскостта, наблюдавани в космоса. Това разрешава една от ключовите слабости в предположението без граници.

Тъмна енергия и тъмна материя: Квантовото вплитане между Вселената и нейната антивселена може да е отговорно за мистериозния феномен на тъмната енергия, движещ ускореното разширяване, което наблюдаваме днес. Освен това, симетричният процес на създаване може да даде представа за природата и изобилието на тъмна материя, потенциално свързвайки тези космически пъзели със самото раждане на Вселената.

Бъдещи насоки и отворени въпроси

Въпреки че моделът на Кумар представлява интригуваща алтернатива на традиционните космологични теории, остават няколко пътища за по-нататъшно изследване.

Следваща критична стъпка е да се извлекат проверяеми прогнози от тази рамка. Наман Кумар работи за идентифицирането на фини подписи - като специфични модели в космическия микровълнов фон или в широкомащабната структура на вселената - които биха могли да потвърдят процеса на създаване на вселената/антивселената.

"Преодоляването на пропастта между квантовата механика и Общата теория на относителността е централно предизвикателство в съвременната физика. Имам за цел да доразвия теоретичните основи на този модел, за да се свържа по-добре с текущите изследвания в областта на квантовата гравитация , като например подходи, открити в квантовата космология на цикъла", заявява Кумар.

Необходима е още работа, за да се разбере как квантовият потенциал замества количествено ролята на кривината. Това включва изследване на поведението му в различни космологични епохи и влиянието му върху динамиката на космическата инфлация и формирането на структурата.

"В обобщение, моето изследване предлага нова гледна точка за произхода на нашата вселена, предполагайки, че една плоска вселена и нейната огледална антивселена могат да възникнат едновременно от нищото чрез квантов процес. Чрез замяна на традиционната кривина с квантов потенциал, този модел е в съответствие с наблюдаваната плоска Вселената и естествено води до силен инфлационен период. Нещо повече, присъщата CPT симетрия на процеса води до образуването на двойка вселена/антивселена, която може да предостави свежи прозрения за тъмната енергия и тъмната материя", коментира Кумар.

"Въпреки че предстои много да се проучи, тази работа отваря нови пътища за разбиране на ранната вселена и дълбокото взаимодействие между квантовата механика и тъканта на пространство-времето. Оставам развълнуван от възможността по-нататъшни изследвания в тази посока да осветлят някои от най-дълбоките мистерии в космологията" .

Справка: Naman Kumar, Creation of a flat universe-antiuniverse pair from nothing, Europhysics Letters (2025). DOI: 10.1209/0295-5075/adb451

Изтоник: Quantum genesis: The emergence of a flat universe and its mirror from nothing, Naman Kumar, Science X Dialog

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !