Огледална вселена, пътуваща назад във времето, обяснява космологията без инфлация

Ваня Милева Последна промяна на 29 октомври 2024 в 00:00 2909 0

Огледалната вселена с Големия взрив в центъра

Кредит Neil Turok, CC BY-SA

Огледалната вселена с Големия взрив в центъра.

Живеем в златна ера за изучаване на Вселената. Нашите най-мощни телескопи разкриха, че космосът е изненадващо прост в най-големите видими мащаби. По същия начин нашият най-мощен "микроскоп", Големият адронен колайдер, не е открил никакви отклонения от известната физика в най-малките мащаби.

Тези открития не бяха това, което повечето теоретици очакваха. Днес доминиращият теоретичен подход съчетава теорията на струните, мощна математическа рамка без засега успешни физически прогнози, и "космическата инфлация" – идеята, че на много ранен етап Вселената се е увеличила експоненциално бързо за част от секундата след Големия взрив.

Инфлационната Вселена

Според теорията за инфлацията, ранната Вселена се разширява експоненциално бързо за част от секундата след Големия взрив. Космолозите стигат до тази идея през 1981 г., за да решат няколко важни проблема в космологията.

Един от тези проблеми е проблемът с хоризонта. Да предположим за момент, че Вселената не се разширява. Сега си представете, че един фотон е бил освободен много рано във Вселената и е пътувал свободно, докато не удари Северния полюс на Земята. А сега си представете, че друг фотон е бил освободен по същото време, но "противоположно" на първия. Той ще удари Земята на Южния полюс. Могат ли тези два фотона да обменят някаква информация от времето, когато са били освободени? Ясно е, че не, защото времето, необходимо за изпращане на информация от един фотон към другия, би било два пъти възрастта на Вселената. Фотоните са казуално разединени. Те са извън хоризонта един на друг.

Проблем с космическия хоризонтТези фотони не биха могли да комуникират помежду си, освен ако не е имало инфлация по време на много ранната Вселена. Кредит: © CTC, DAMTP, Centre for Mathematical Sciences, Wilberforce Road, Cambridge CB3 0WA.

Въпреки това наблюдаваме, че фотони от противоположни посоки трябва да са комуникирали по някакъв начин, тъй като космическото микровълново фоново лъчение има почти еднаква температура във всички посоки над небето.

Този проблем може да бъде решен чрез идеята, че Вселената се е разширила експоненциално за кратък период от време след Големия взрив. Преди този период на инфлация цялата Вселена е можела да бъде в причинно-следствен контакт и да се уравновеси до една и съща температура. Разделените на огромни разстояния региони днес всъщност са били много близо един до друг в ранната Вселена, което обяснява защо фотоните от тези региони имат (почти точно) една и съща температура.

Аналогия на надуване с помощта на балон Когато балонът се надува, разстоянията между обектите на повърхността на балона се увеличават. Кредит: © CTC, DAMTP, Centre for Mathematical Sciences, Wilberforce Road, Cambridge CB3 0WA.

Един прост модел за разширяването на Вселената е да си представим надуване на балон. Човек във всяка точка на балона може да смята, че е в центъра на разширяването, тъй като всички съседни точки се отдалечават.

По време на инфлацията Вселената се разширява с коефициент около e 60 =10 26. Това число е единица, последвана от 26 нули. Той надхвърля нормалните политически/икономически дискусии за инфлацията.

Да предположим, че преди надуването на балона, е написано съобщение на повърхността на балона, което е толкова мъничко, че не може да се прочете. Надуването на балона ще направи съобщението четимо. Това означава, че инфлацията действа като микроскоп, който увеличава написаното върху първоначалния балон.

В комбинация струнната теория и инфлацията предсказват, че космосът е невероятно сложен в малки мащаби и напълно хаотичен в много големи мащаби.

Естеството на очакваната сложност може да приеме смайващо разнообразие от форми. На тази основа и въпреки липсата на наблюдателни доказателства, много теоретици подкрепят идеята за "мултивселена": неконтролиран и непредсказуем космос, състоящ се от много вселени, всяка с напълно различни физически свойства и закони.

Засега наблюденията показват точно обратното. Какво да се отстрани несъответствието? Една от възможностите е, че очевидната простота на Вселената е просто случайност на ограничения диапазон от мащаби, които могат да се изследваме днес, и че когато наблюденията и експериментите достигнат достатъчно малки или достатъчно големи мащаби, предвидената сложност ще бъде разкрита.

Другата възможност е, Вселената наистина да е много проста и предвидима както в най-големия, така и в най-малкия мащаб.

"Смятам, че тази възможност трябва да се приеме много по-сериозно. Защото, ако е вярно, може да сме по-близо, отколкото сме си представяли, до разбирането на най-основните пъзели на Вселената. И някои от отговорите може би вече ни гледат в очите", коментира в статия за The Conversation Нийл Турок (Neil Turok), ръководител катедрата по теоретична физика в Университета на Единбург и почетен директор на Института за теоретична физика Периметър от 2019 г..

Проблемът със струнната теория и инфлацията

Настоящата парадигма е кулминацията на десетилетия усилия на хиляди сериозни теоретици. Според теорията на струните, основните градивни елементи на Вселената са миниатюрни, вибриращи бримки и части от субатомни струни. Както се разбира понастоящем, теорията работи само ако има повече измерения на пространството от трите, които изпитваме. И така, теоретиците на струните приемат, че причината да не ги откриваме е, че са малки и смачкани.

За съжаление, това прави теорията на струните трудна за тестване, тъй като има почти невъобразим брой начини, по които малките измерения могат да бъдат смачкани, като всяко от тях дава различен набор от физически закони в останалите, големи измерения.

Инфлацията работи като космически микроскоп, за да се видят квантовите флуктуации в много ранната Вселена. 
Етапи в еволюцията на Вселената. Кредит: Task Force On Cosmic Microwave Background Research, National Academies 2005.

Междувременно космическата инфлация е сценарий, предложен през 80-те години, за да обясни защо Вселената е толкова гладка и плоска в най-големите мащаби, което се и наблюдава. Идеята е, че бебешката вселена е била малка и плътна, но екстремен изблик на ултра-бързо разширяване я е взривил значително по размер, изглаждайки я и сплесквайки я, за да бъде в съответствие с това, което се вижда днес.

Инфлацията също е популярна, защото потенциално обяснява защо енергийната плътност в ранната вселена варира леко от място на място. Това е важно, защото по-плътните региони по-късно биха колапсирали под действието на собствената си гравитация, засявайки образуването на галактики.

През последните три десетилетия вариациите на плътността се измерват все по-точно както чрез картографиране на космическия микровълнов фон – радиацията от Големия взрив – така и чрез картографиране на триизмерното разпределение на галактиките.

Изображение на мисия на НАСА WMAP на анизотропията на CMB - Космическият микровълнов фон, остатъчното сияние от Големия взрив, има едно от най-точните наблюдателни измервания на Вселената, правени някога. То показва, че пространството е много близо до плоско. Кредит: WMAP

В повечето модели на инфлация ранната екстремна експлозия на разширение на пространството, който изглажда и сплесква Вселената, също така генерира гравитационни вълни с дълга дължина на вълната. Такива вълни, ако бъдат наблюдавани, ще бъдат улика, потвърждаваща, че инфлацията наистина се е случила. Досега обаче наблюденията не са успели да открият такъв сигнал. Нотъй като експериментите стават все по-прецизни, повече модели на инфлация се изключват.

Освен това, по време на инфлация, различните региони на пространството могат да изпитат много различни количества разширяване. В много големи мащаби това създава мултивселена от постинфлационни вселени, всяка с различни физически свойства.

 Историята на Вселената според модела на космическата инфлация. Кредит: Wikimedia Commons CC BY-SA

Сценарият за инфлация се основава на предположения за наличните форми на енергия и първоначалните условия. Докато тези предположения решават някои пъзели, те създават други. Струнните и инфлационните теоретици се надяват, че някъде в огромната инфлационна мултивселена съществува област от пространство-времето с точните свойства, които да съответстват на вселената, която виждаме.

Въпреки това, дори ако това е вярно (и все още не е открит нито един такъв модел), честното сравнение на теориите трябва да включва бръснача на Окам, който наказва теориите с много параметри и възможности пред по-простите и по-предсказуемите. Пренебрегването на фактора Окам означава да се приеме, че няма алтернатива на сложната, непредсказуема хипотеза – твърдение, което Нийл Турок смята, че няма много основания.

През последните няколко десетилетия се извършиха много експерименти и наблюдения за разкриване на специфични сигнали от теорията на струните или инфлацията. Но нищо не бе открито. Отново и отново наблюденията показват по-проста Вселена от очакваното.

"Вярвам, че е крайно време да признаем и да се поучим от тези провали и да започнем да търсим сериозно по-добри алтернативи", отбелязва Нийл Турок.

По-проста алтернатива

Наскоро Нийл Турок и неговия колега Латъм Бойл (Latham Boyle) започват опити да изградят по-прости теории, които премахват инфлацията и теорията на струните и би могло да се тестват. Те се опитват да се справят с някои от най-дълбоките космически пъзели с минимален брой теоретични предположения.

Първите опити на двамата физици надхвърлят и най-оптимистичните им надежди. Времето ще покаже дали ще оцелеят при по-нататъшно изследване. Напредъкът, който са постигнали, убеждава Турок, че "по всяка вероятност има алтернативи на стандартната космология – превърнала се в усмирителна риза, от която трябва да се измъкнем".

"Надявам се, че нашият опит насърчава другите, особено по-младите изследователи, да изследват нови подходи, ръководени силно от простотата на наблюденията – и да бъдат по-скептични към предубежденията на по-възрастните. В крайна сметка трябва да се учим от Вселената и да адаптираме теориите си към нея, а не обратното", коментира Турок.

Двамат физици се заемат с един от най-големите парадокси на космологията -  Ако проследим разширяващата се вселена назад във времето, използвайки теорията на Айнщайн за гравитацията и известните закони на физиката, пространството се свива до една точка, "първоначалната сингулярност".

Опитвайки се да осмислят това безкрайно плътно, горещо начало, теоретиците, включително Нобеловия лауреат Роджър Пенроуз, забелязват дълбоката симетрия в основните закони, управляващи светлината и безмасовите частици. Тази симетрия, наречена "конформна" симетрия, означава, че нито светлинните, нито безмасовите частици всъщност изпитват свиване на пространството при Големия взрив.

Използвайки тази симетрия, човек може да проследи светлината и частиците чак до началото. Правейки това, Бойл и Турок откриват, че могат да опишат първоначалната сингулярност като "огледало": отразяваща граница във времето (като времето се движи напред от едната страна и назад от другата).

Огледалната вселена с големия взрив в центъра. Кредит: Neil Turok, CC BY-SA

Представянето на Големия взрив като огледало ясно обяснява много характеристики на Вселената, които иначе биха изглеждали в конфликт с най-основните закони на физиката. Например, за всеки физически процес квантовата теория допуска "огледален" процес, при който пространството е обърнато, времето е обърнато и всяка частица е заменена със своята античастица (частица, подобна на нея в почти всички отношения, но с противоположното електрически заряд).

Според тази мощна симетрия, наречена CPT симетрия, "огледалният" процес трябва да се случи точно със същата скорост като първоначалния. Една от най-основните пъзели за Вселената е, че тя изглежда [нарушава CPT симетрията], защото времето винаги тече напред и има повече частици, отколкото античастици.

"Нашата огледална хипотеза възстановява симетрията на Вселената. Когато се погледнете в огледалото, виждате своя огледален образ зад него: ако сте левичар, изображението е на десничар и обратно. Комбинацията от вас и вашия огледален образ е по-симетрична, отколкото сте вие самият", обяснява Турок.

По същия начин, когато Бойл и Турок екстраполират нашата вселена обратно през Големия взрив, откриват нейния огледален образ, вселена преди взрива, в която (спрямо нас) времето тече назад и античастиците са повече от частиците.

"За да бъде тази картина вярна, ние не се нуждаем от огледалната вселена да е реална в класическия смисъл (точно както вашият образ в огледалото не е реален). Квантовата теория, която управлява микрокосмоса на атомите и частиците, предизвиква нашата интуиция, така че в този момент най-доброто, което можем да направим, е да мислим за огледалната вселена като математически инструмент, който гарантира, че първоначалното условие за вселената не нарушава CPT симетрията", уточнява Турок.

Изненадващо, тази нова картина дава важен ключ към природата на неизвестното космическо вещество, наречено тъмна материя. Неутриното са много леки, призрачни частици, които обикновено се движат със скорост, близка до тази на светлината, и които се въртят, докато се движат, като малки стрели.

Още през 50-те години на миналия век се смяташе, че съществува само като ляво неутрино или дясно антинеутрино. Кредит: Shilpa Sayura 2006-2017

Ако насочите палеца на лявата си ръка в посоката, в която се движи неутриното, тогава четирите ви свити пръста показват посоката, в която се върти. Наблюдаваните леки неутрино се наричат ​​"леви" неутрино.

Тежките "десни" неутрино никога не са били наблюдавани директно, но за тяхното съществуване се предполага от наблюдаваните свойства на леките, леви неутрино. Стабилните десни неутрино биха били идеалният кандидат за тъмна материя, защото те не се свързват с никоя от известните сили, освен гравитацията. Преди изследването на Бойл и Турок не бе известно как тежките десни неутрино биха могли да бъдат произведени в горещата ранна вселена.

Ако тежките неутрино наистина са се разпадали неравномерно на материя и антиматерия, тогава вероятно също днешните неутрино ще се държат по различен начин от техните частици антиматерия - антинеутрино. По идея на Quanta Magazine

"Нашата огледална хипотеза ни позволи да изчислим точно колко ще се образуват и да покажем, че могат да обяснят космическата тъмна материя", заявява Турок.

Двамата физици правят и предсказание, което може да се провери: ако тъмната материя се състои от стабилни, десни неутрино, тогава едно от трите вида леки неутрино, за които знаем, трябва да е абсолютно безмасово.

Тази прогноза сега се тества с помощта на наблюдения на гравитационното групиране на материя, направени от широкомащабни проучвания на галактики.

Ентропията на вселените

Окуражени от този резултат, екипът се заема с друг голям пъзел: защо вселената е толкова еднородна и пространствено плоска, а не изкривена, в най-големите видими мащаби? Сценарият за космическа инфлация в крайна сметка е измислен от теоретиците, за да разрешат този проблем.

Ентропията е концепция, която количествено определя броя на различните начини, по които една физическа система може да бъде подредена. Например, ако поставим някои въздушни молекули в кутия, най-вероятните конфигурации са тези, които максимизират ентропията – с молекулите повече или по-малко плавно разпределени в пространството и споделяйки общата енергия повече или по-малко поравно. Тези видове аргументи се използват в статистическата физика, областта, която е в основата на нашето разбиране за топлина, работа и термодинамика.

Покойният физик Стивън Хокинг и неговите сътрудници обобщвата статистическата физика, за да включат гравитацията. Използвайки елегантен аргумент, те изчисляват температурата и ентропията на черните дупки. Използвайки нашата "огледална" хипотеза, Бойл и Турок успяват да разширят техните аргументи към космологията и да изчислят ентропията на цели вселени.

За тяхна изненада, Вселената с най-висока ентропия (което означава, че е най-вероятната, точно като атомите, разпръснати в кутията) е плоска и се разширява с ускорена скорост, точно като истинската. Така че статистическите аргументи обясняват защо Вселената е плоска и гладка и има малко положително ускорено разширение, без нужда от космическа инфлация.

Как първичните вариации на плътност, обикновено приписвани на инфлацията, биха били генерирани в нашата симетрична огледална вселена?

Наскоро двамата физици показват, че специфичен тип квантово поле (поле с нулево измерение) генерира точно типа вариации на плътността, които наблюдаваме, без инфлация. Важно е, че тези вариации на плътността не са придружени от гравитационни вълни с дълга дължина на вълната, които инфлацията предвижда - и които не са били наблюдавани.

Тези резултати са много обнадеждаващи. Но е необходима още работа, за да се покаже, че новата теория е както математически стабилна, така и физически реалистична.

Дори новата теория на Бойл и Турок да се провали, тя дава ценен урок. Възможно е да има по-прости, по-мощни и по-подлежащи на проверка обяснения за основните свойства на Вселената от тези, които предлага Стандартният космологичен модел.

"Изправяйки се пред дълбоките пъзели на космологията, водени от наблюденията и все още неизследваните посоки, може да успеем да положим по-сигурни основи както за фундаменталната физика, така и за нашето разбиране за Вселената", заявява Нийл Турок в заключение.The Conversation

Neil Turok, Higgs Chair of Theoretical Physics, University of Edinburgh

Източник: Did the early cosmos balloon in size? A mirror universe going backwards in time may be a simpler explanation, /phys.org

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете oригиналната статия.

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

    Няма коментари към тази новина !