Что произойдет, если перевернуть пространство-время вверх дном?
В серии вирусных статей утверждалось, что НАСА обнаружило частицы из другой параллельной вселенной, в которой время идет в обратном направлении. Эти утверждения были неверными. Настоящая история гораздо более захватывающая и странная, она включает в себя путешествие к Большому взрыву и по другую сторону.
Сенсационные заголовки запутали выводы малоизвестной статьи 2018 года, никогда не публиковавшейся в рецензируемых журналах, в которой утверждалось, что наша Вселенная может иметь зеркальное отражение во времени, партнерскую вселенную, которая простирается за пределы Большого взрыва. В документе утверждается, что если это так и ряд других крайне невероятных и диковинных гипотез окажется верным, то это, в свою очередь, может объяснить загадочный сигнал, намекающий на то, что изо льда в Антарктиде вылетает совершенно новая частица.
Утверждение о том, что НАСА открыло параллельную вселенную, похоже, было впервые придумано британским таблоидом The Daily Star, а затем эту историю подхватили британские и американские СМИ, в том числе The New York Post.
«Зеркало» нашей Вселенной
Чтобы понять, как Daily Star пришла к своему причудливому, вирусному заявлению, необходимо понять утверждения двух отдельных газет за 2018 год.
В первой статье Лэтэма Бойла, физика из Института Периметра в Онтарио, Канада, и его коллег была предложена зеркальная Вселенная - отражение нашей Вселенной во времени. Он был опубликован в декабре 2018 года в журнале Physical Review Letters (после появления на сервере arXiv в марте того же года).
«Я думаю, что никто другой не понимает всего, что они написали», - сказал Джон Лирнед, астрофизик из Гавайского университета и соавтор второй статьи, основанной на теории Бойля.
Работа Бойля - это своего рода пакет расширения, призванный закрыть дыры в теории, рассказывающей о доминирующей истории происхождения Вселенной: Лямбда-Холодная Темная Материя (ΛCDM).
ΛCDM объясняет космос, используя две ключевые идеи: неизвестная темная энергия заставляет Вселенную расширяться. Если перемотать это расширение достаточно далеко назад во времени, и вся вселенная займет одну точку в пространстве. Во-вторых, невидимая темная материя гравитационно притягивает вещество во Вселенной, но не излучает света. Согласно идее, эта темная материя составляет подавляющую часть массы Вселенной.
«ΛCDM - практически единственная игра в городе», - сказал Лирнед. «Это работает во многих случаях, но при моделировании есть несколько досадных ошибок».
Например, измерения расширения не совпадают во времени , поэтому измерения этого расширения, основанные на данных из ранней Вселенной, не совпадают с измерениями, основанными на данных из современной Вселенной. Кроме того, ΛCDM не может объяснить, почему материя вообще существует , поскольку она предсказывает, что материя и антивещество образовались бы с одинаковой скоростью после Большого взрыва и аннигилировали друг друга, ничего не оставив после себя.
Новая вселенная Бойля и его коллег раскручивает историю ΛCDM еще дальше во времени, погружаясь в сингулярность в начале времени и выходя на другую сторону.
Вот как команда Бойля видит свою теорию: представьте себе сегодняшнюю вселенную как широкий плоский круг, сидящий на вершине вчерашнего немного меньшего круга, который находится на вершине еще меньшего круга накануне, сказал Бойль.
Сложите все круги от сегодняшнего дня до Большого взрыва, и вы получите конус, стоящий на его острие.
Когда астрономы смотрят глубоко в космос, они фактически оглядываются назад во времени. Самая далекая галактика, которую мы видим, GN-z11, кажется нам такой, какой она существовала 13,4 миллиарда лет назад, или 400 миллионов лет после Большого взрыва.
До этого у Вселенной был «темный век», длившийся миллионы лет, когда не сформировалось ничего достаточно яркого, чтобы мы могли видеть. До этого Вселенная произвела самое древнее, что мы можем видеть: космический микроволновый фон (CMB), который сформировался через 370 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная остыла из горячей непрозрачной плазмы.
Телескопы не могут видеть ничего до реликтового излучения.
По словам Бойля, оглядываться назад во времени - все равно что смотреть сквозь космологический конус.
С этой точки зрения история ΛCDM заканчивается тем, что Вселенная объединяется в единую точку, скрытую за реликтовым излучением. Теория Бойля рассматривает непрозрачную стену, которую реликтовое излучение образует с течением времени, и делает другой вывод о том, что скрывает реликтовое излучение.
По его словам, стандартная точка зрения состоит в том, что первая крошечная доля секунды после Большого взрыва была более или менее «большим беспорядком», который современные уравнения физики пытаются объяснить. Мы не можем видеть, что произошло в тот момент, поскольку это скрыто под реликтовым излучением с нашей точки обзора на конусе. В космологии ΛCDM эта первая мгновенная глава в истории Вселенной хаотична и трудна для понимания.
Но реликтовое излучение не так уж хаотично. Его простая структура, согласно ΛCDM, возникла после интенсивного процесса уплощения, который стер этот хаос к концу первой секунды Вселенной. Чистая вселенная, которая, как считается, возникла из этого непродолжительного беспорядка, запечатлена в CMB.
«Мы были заинтересованы в изучении более простой картины, в которой доказательства принимаются за чистую монету», - сказал он. «Вы говорите:« Хорошо, мы не можем видеть полностью вплоть до Взрыва, но мы можем смотреть чертовски близко, и как только мы смотрим, все выглядит очень просто. Что, если мы примем эти наблюдения за чистую монету? »»
По его словам, за этим видением пространства-времени все еще скрывается Большой взрыв.
Но «это намного проще, чем большинство сингулярностей, возникающих в теории гравитации Эйнштейна», - сказал он. «Это особый тип сверхпростой сингулярности, в которой вы можете проследить решение [уравнений, управляющих пространством-временем] через сингулярность».
В то время как наблюдения не идут дальше CMB, нормальные космологические модели уходят немного дальше, но все же имеют тенденцию резко останавливаться на Большом взрыве. Не в схеме Бойля.
«Вы обнаружите, что он экстраполирует, он расширяется - он аналитически продолжается, - сказали бы физики, - на этот двойной конус», - сказал он, имея в виду вторую вселенную, простирающуюся от Большого взрыва во времени.
«Это просто кажется естественным и простейшим расширением уравнений, которые, кажется, описывают Вселенную, как мы ее видим», - сказал он.
Эта вселенная, которая находится внутри «второго конуса», находится слишком далеко в пространстве-времени, чтобы мы могли ее увидеть. По словам Лирнеда, там может показаться, что время бежит назад от нашей системы отсчета. Но существа в этой вселенной все равно увидят, что причина предшествует следствию, как и мы в нашей. Время убегает от Большого взрыва в этой вселенной, как и в нашей. «Вдали от Большого взрыва» в этой Вселенной - это направление, противоположное направлению времени в нашей Вселенной. но он не идет «назад», как мы могли бы себе представить.
Наша вселенная существует по ту сторону древней истории этой вселенной, и эта вселенная существует по ту сторону нашей.
«Состояние нулевых частиц»
«У нас нет доказательств существования этой отраженной вселенной», - сказал Бойл.
Однако, по его словам, «как только она у вас есть, оказывается, что эта вселенная обладает дополнительной симметрией, которую вы не видели, когда смотрели только на верхнюю половину конуса».
По словам Бойля, симметрии «звонят в колокол» физикам. Они предполагают более глубокую истину.
А эта Вселенная с двойным конусом может, в свою очередь, помочь восстановить трещину в симметрии, которая беспокоила физиков в течение многих лет.
Рассматриваемая симметрия, известная как симметрия заряда, четности, времени (CPT), утверждает, что если вы перевернете частицу на ее двойника из антивещества - скажем, электрон в позитрон - или сделаете ее правосторонней, а не левой, или она движется назад во времени, а не вперед, эта частица должна вести себя так же и подчиняться тем же законам, что и до того, как ее перевернули. (Правостороннее или левостороннее относится к вращению и направлению движения частицы.)
«Все думали, что это фундаментальные симметрии, которых невозможно избежать», - сказал Лирнед.
В конце концов, в 1956 году физик из Колумбийского университета Чиен-Шиун Ву провел эксперимент, который установил, что симметрия CPT не является абсолютной. (Двое коллег-мужчин, которые предложили Ву основную идею, получили Нобелевскую премию 1957 года за ее открытие, но она осталась без внимания.)
Эксперимент Ву показал, что "C" в симметрии CPT несовершенна. А дальнейшие эксперименты показали, что некоторые частицы разрушают и «С», и «Р». Но, несмотря на наличие трещин, большинство физиков считают, что CPT-симметрия в целом сохраняется, и не было обнаружено ни одной частицы, которая нарушала бы все три элемента этой симметрии. На уровне частиц Вселенная кажется CPT-симметричной.
Но сама ΛCDM-модель Вселенной лишена CPT-симметрии и, как следствие, ее «состояние с нулевыми частицами», природа пространства-времени, когда оно лишено частиц, является неопределенной. Это означает, что в масштабе всего пространства CPT-симметрия нарушена.
Бойль говорит, что его модель сохраняет CPT-симметрию Вселенной в отличие от космологии ΛCDM. Добавьте второй конус к пространству-времени, и состояние нулевой частицы больше не будет неопределенным. Асимметрия CPT Вселенной исправлена.
«Мы подумали:« Погодите. Казалось, что Вселенная нарушила симметрию CPT, но на самом деле мы просто не смотрели на всю картину », - сказал он. Если Вселенная действительно CPT-симметрична, если она действительно состоит из двух пространственно-временных конусов, а не одного, что это будет значить для остальной физики?
Правда о том, что на самом деле обнаружили эти "ученые НАСА"
Наиболее практическим следствием CPT-симметричной Вселенной является простое объяснение темной материи.
Один из популярных наборов теорий о невидимом веществе основывается на существовании необнаруженного четвертого типа нейтрино, часто называемого стерильным нейтрино. Симметрия CPT Бойля, кажется, указывает в этом направлении. Три известных вида нейтрино : электронное, мюонное и тау-нейтрино - все левосторонние. Это означает, что они летают без подходящего партнера-правши. Стандартная модель предполагает, что, в отличие от других частиц, нейтрино не имеют таких партнеров. Но CPT-симметричная вселенная не согласна, указывая, что у них должны быть эти партнеры.
Бойль и его коллеги обнаружили, что их космология подразумевает существование правого партнера в нашей Вселенной для каждого левого нейтрино в Стандартной модели. Но, в отличие от левых и правых кварков, эти левые и правые зеркальные частицы не слиплись бы вместе. Вместо этого два правых нейтрино-партнера уже давно потерялись бы в пространстве-времени, распадаясь из наш взгляд на очень раннюю Вселенную. Однако третий партнер-правша остался бы поблизости - следствие уравнений, определяющих начало времени.
По словам Бойля, неясно, с каким из трех известных нейтрино оно могло бы сотрудничать. Но у него была бы особая энергетическая подпись: 480 пикоэлектронвольт (ПэВ), мера массы частицы. И это нейтрино 480 ПэВ могло бы объяснить всю эту отсутствующую темную материю во Вселенной.
Детали того, как CPT-симметричная Вселенная приводит к нейтрино с энергией 480 ПэВ, непросты - настолько сложны, сказал Лирнед, что немногие физики, кроме Бойля и его команды, вообще их понимают.
«Но эти парни не психи», - сказал он. «Они уважаемые представители этой области, и они знают, что делают. Верна вся эта сложная теория поля или нет, я не могу сказать».
Тем не менее, предсказание частицы с энергией 480 ПэВ оказалось неожиданным.
Четыре года назад детектор частиц, подвешенный на воздушном шаре над Антарктидой, обнаружил то, что физика не могла объяснить: дважды, как сообщала Live Science , антарктическая импульсная переходная антенна (ANITA) дважды улавливала сигналы высокоэнергетических частиц, которые, казалось, летели прямо. из антарктического льда. (Большинство исследователей, участвующих в ANITA, не являются «учеными НАСА», но проект действительно получает финансирование НАСА.)
Таких частиц не должно быть . Ни одна из известных частиц Стандартной модели не должна была иметь возможность пролететь через Землю и вырваться с другой стороны при таких высоких энергиях, но это то, что, похоже, обнаружила ANITA.
По состоянию на июнь 2020 года наиболее популярным объяснением является то, что ANITA обнаружила стерильные нейтрино. Леннед, который был вовлечен в первые дни проекта ANITA, понял, что значение 480 ПэВ хорошо согласуется с результатами ANITA.
Если частицы действительно пришли из космоса, а затем пролетели сквозь Землю и образовали аномалию, они, должно быть, распались прямо под поверхностью Антарктики, создав ливень более легких частиц, которые ANITA обнаружила выскакивающими изо льда. Нейтрино темной материи Бойля 480 ПэВ точно соответствует диапазону масс, который может объяснить распадающуюся загадочную частицу ANITA.
Узнал и команда из четырех других исследователей придумали схему, в которой нейтрино темной материи с энергией 480 ПэВ могло реализовать этот трюк, который они описали в статье 2018 года под названием «Последующие события ANITA как свидетельство симметричной вселенной CPT» и опубликовали в Arxiv базы данных. Газета The Daily Star превратилась в запутанный заголовок.
Если бы частица ANITA действительно соответствовала схеме Бойля, это было бы большим весом в пользу двухконусного космоса, сказал Лирнед. Но это долгий путь. Самая важная проблема, которую им предстояло решить: подвести частицу достаточно близко к Антарктиде. Модели показывают, что кандидаты в частицы темной материи, подобные этому нейтрино с энергией 480 ПэВ, упадут в центр Земли вскоре после столкновения с нашей планетой, не оставив ни одной частицы достаточно близко, чтобы вызвать аномалию ANITA.
Эти исследователи утверждали, что, возможно, недавнее столкновение с огромным невидимым диском темной материи пробудило на Земле нейтрино с энергией 480 ПэВ, в результате чего некоторые из них стали блуждать вблизи поверхности нашей планеты.
По словам Лирнеда, это была захватывающая идея, но даже его собственная газета не убеждает.
«Это было наше слабое оправдание - мы не думали ни о каком другом хорошем способе выполнить работу [доставить нейтрино Бойля достаточно близко к Антарктиде, чтобы сработать сенсоры ANITA]», - сказал Лирнед. его выводы, безусловно, ошибочны, сказал он.
«Среди космологов есть ... идея, что вы можете использовать« зубную фею »один раз в своей космологической модели, а два раза просто не заслуживает доверия», - сказал он. «И я думаю, что нам нужна была зубная фея два или три раза, чтобы заставить эту работать, так что, да ладно».
Бойль согласился. Хотя идея использовать идеи его команды для объяснения ANITA была привлекательной, он сказал, что цифры не совсем сходятся. Но он по-прежнему уверен, что основная идея CPT-симметричной вселенной верна.
«Мое личное предчувствие состоит в том, что независимо от того, правильно это или нет, это на правильном пути», - сказал он. «Я очень рад этому».
