Нил Турок: Мы живём в золотой век изучения Вселенной. Наши самые мощные телескопы показали, что космос удивительно прост в самых больших видимых масштабах. Точно так же наш самый мощный «микроскоп», Большой адронный коллайдер, не обнаружил отклонений от известных законов физики в самых малых масштабах.
Эти результаты оказались не такими, как ожидало большинство теоретиков. Сегодня доминирующий теоретический подход сочетает в себе теорию струн — мощную математическую концепцию, которая пока не даёт успешных физических прогнозов, — и «космическую инфляцию» — идею о том, что на очень ранней стадии Вселенная сильно увеличилась в размерах. В совокупности теория струн и инфляция предсказывают, что космос невероятно сложен в мельчайших масштабах и совершенно хаотичен в очень крупных масштабах.
Природа ожидаемой сложности может принимать самые разные формы. Исходя из этого и несмотря на отсутствие наблюдательных данных, многие теоретики выдвигают идею «мультивселенной»: неконтролируемого и непредсказуемого космоса, состоящего из множества вселенных, каждая из которых обладает совершенно другими физическими свойствами и законами.
До сих пор наблюдения указывали на прямо противоположное. Что нам делать с этим несоответствием? Одна из возможностей заключается в том, что кажущаяся простота Вселенной — это просто случайность, связанная с ограниченным диапазоном масштабов, которые мы можем исследовать сегодня, и что, когда наблюдения и эксперименты достигнут достаточно малых или достаточно больших масштабов, проявится заявленная сложность.
Другая возможность заключается в том, что Вселенная действительно очень проста и предсказуема как в больших, так и в малых масштабах. Я считаю, что к этой возможности следует относиться гораздо серьёзнее. Ведь если это так, то мы можем быть ближе, чем нам казалось, к пониманию самых фундаментальных загадок Вселенной. И некоторые ответы могут быть у нас перед глазами.
Проблема теории струн и инфляции
Современная ортодоксальная теория — это результат десятилетий работы тысяч серьёзных теоретиков. Согласно теории струн, основными строительными блоками Вселенной являются крошечные вибрирующие петли и фрагменты субатомных струн. Согласно современным представлениям, теория работает только в том случае, если существует больше пространственных измерений, чем те три, которые мы наблюдаем. Таким образом, сторонники теории струн предполагают, что мы не обнаруживаем их, потому что они крошечные и скрученные.
К сожалению, из-за этого теорию струн сложно проверить, поскольку существует почти невообразимое количество способов, которыми могут сворачиваться малые измерения, и каждый из них даёт свой набор физических законов в оставшихся, больших измерениях.
Между тем, космическая инфляция — это сценарий, предложенный в 1980-х годах, чтобы объяснить, почему Вселенная такая гладкая и плоская в самых больших масштабах, которые мы можем наблюдать. Идея заключается в том, что новорождённая Вселенная была маленькой и неоднородной, но из-за экстремально быстрого расширения она значительно увеличилась в размерах, стала более гладкой и плоской, чтобы соответствовать тому, что мы видим сегодня.
Инфляция также популярна, потому что она потенциально объясняет, почему плотность энергии в ранней Вселенной немного различалась в разных местах. Это важно, потому что более плотные области позже разрушились бы под действием собственной гравитации, положив начало формированию галактик.
За последние три десятилетия изменения плотности измерялись всё более точно как с помощью картирования космического микроволнового фона — излучения, оставшегося после Большого взрыва, — так и с помощью картирования трёхмерного распределения галактик.
В большинстве моделей инфляции ранняя экстремальная вспышка расширения, которая сгладила и выровняла Вселенную, также породила длинноволновые гравитационные волны — колебания в структуре пространства-времени. Такие волны, если бы их удалось обнаружить, стали бы «неопровержимым доказательством» того, что инфляция действительно имела место. Однако до сих пор наблюдения не выявили ни одного такого сигнала. Вместо этого по мере совершенствования экспериментов всё больше моделей инфляции исключалось.
Кроме того, во время инфляции разные области пространства могут расширяться с разной скоростью. В очень больших масштабах это приводит к образованию мультивселенной из постинфляционных вселенных, каждая из которых обладает разными физическими свойствами.
Сценарий инфляции основан на предположениях о существующих формах энергии и начальных условиях. Хотя эти предположения решают одни загадки, они создают другие. Сторонники теории струн и теории инфляции надеются, что где-то в огромной инфляционной мультивселенной существует область пространства и времени с нужными свойствами, чтобы соответствовать видимой нами Вселенной.
Однако, даже если это так (а ни одной такой модели пока не найдено), справедливое сравнение теорий должно включать «фактор Оккама», количественную оценку «бритвы Оккама», которая ставит в невыгодное положение теории с большим количеством параметров и возможностей по сравнению с более простыми и прогностичными теориями. Игнорирование фактора Оккама равносильно предположению, что нет альтернативы сложной, непрогнозируемой гипотезе — утверждение, которое, на мой взгляд, не имеет под собой оснований.
За последние несколько десятилетий было много возможностей для проведения экспериментов и наблюдений, которые могли бы выявить конкретные сигналы теории струн или инфляции. Но ничего подобного обнаружено не было. Снова и снова наблюдения оказывались проще и менее значимыми, чем ожидалось.
Я считаю, что пришло время признать эти неудачи, извлечь из них уроки и всерьёз заняться поиском лучших альтернатив.
Более простая альтернатива
Недавно мы с моим коллегой Лэтэмом Бойлом попытались создать более простые и поддающиеся проверке теории, которые исключают инфляцию и теорию струн. Опираясь на наблюдения, мы попытались решить некоторые из самых сложных космических загадок с минимальным количеством теоретических предположений.
Наши первые попытки превзошли самые оптимистичные ожидания. Время покажет, выдержат ли они дальнейшую проверку. Однако прогресс, которого мы уже добились, убеждает меня в том, что, по всей вероятности, существуют альтернативы стандартной ортодоксальной теории, которая стала для нас кандалами, из которых нам нужно выбраться.
Я надеюсь, что наш опыт вдохновит других, особенно молодых исследователей, на изучение новых подходов, основанных на простоте наблюдений, и на то, чтобы более скептически относиться к предубеждениям старших. В конечном счёте, мы должны учиться у Вселенной и адаптировать наши теории к ней, а не наоборот.
Мы с Бойлом начали с изучения одного из величайших парадоксов космологии. Если мы проследим за расширением Вселенной в обратном направлении во времени, используя теорию гравитации Эйнштейна и известные законы физики, то увидим, что пространство сжимается до одной точки — «начальной сингулярности».
Пытаясь понять это бесконечно плотное и горячее начало, теоретики, в том числе лауреат Нобелевской премии Роджер Пенроуз, указали на глубокую симметрию в основных законах, управляющих светом и безмассовыми частицами. Эта симметрия, называемая «конформной» симметрией, означает, что ни свет, ни безмассовые частицы на самом деле не испытывают сжатия пространства во время Большого взрыва.
Используя эту симметрию, можно проследить путь света и частиц вплоть до самого начала. Сделав это, мы с Бойлом обнаружили, что можем описать начальную сингулярность как «зеркало»: отражающую границу во времени (с одной стороны время движется вперёд, а с другой — назад).
Представление о Большом взрыве как о зеркале наглядно объясняет многие особенности Вселенной, которые в противном случае могли бы показаться противоречащими самым основным законам физики. Например, для каждого физического процесса квантовая теория допускает «зеркальный» процесс, в котором пространство переворачивается, время идёт в обратном направлении, а каждая частица заменяется своей античастицей (частицей, похожей на неё почти во всех отношениях, но с противоположным электрическим зарядом).
Согласно этой мощной симметрии, называемой CPT-симметрией, «зеркальный» процесс должен происходить с той же скоростью, что и исходный. Одна из самых фундаментальных загадок Вселенной заключается в том, что она, по-видимому, [нарушает CPT-симметрию], потому что время всегда идёт вперёд, а частиц больше, чем античастиц.
Наша зеркальная гипотеза восстанавливает симметрию Вселенной. Когда вы смотритесь в зеркало, вы видите своё зеркальное отражение: если вы левша, то отражение будет правшой, и наоборот. Сочетание вас и вашего зеркального отражения более симметрично, чем вы сами по себе.
Точно так же, когда мы с Бойлем экстраполировали нашу Вселенную назад, к Большому взрыву, мы обнаружили её зеркальное отражение — добольшую Вселенную, в которой (по отношению к нам) время течёт вспять, а античастиц больше, чем частиц.
Чтобы эта картина была верной, нам не нужно, чтобы зеркальная вселенная была реальной в классическом смысле (так же, как ваш образ в зеркале не является реальным). Квантовая теория, которая управляет микрокосмом атомов и частиц, бросает вызов нашей интуиции, поэтому на данный момент лучшее, что мы можем сделать, — это рассматривать зеркальную вселенную как математический инструмент, который гарантирует, что начальные условия Вселенной не нарушают CPT-симметрию.
Удивительно, но эта новая картина дала важную подсказку о природе неизвестного космического вещества, называемого тёмной материей. Нейтрино — это очень лёгкие, призрачные частицы, которые, как правило, движутся со скоростью, близкой к скорости света, и вращаются во время движения, как крошечные волчки.
Если вы укажете большим пальцем левой руки направление движения нейтрино, то четыре пальца покажут направление его вращения. Наблюдаемые лёгкие нейтрино называются «левозакрученными» нейтрино.
Тяжёлые «правые» нейтрино никогда не наблюдались напрямую, но их существование было предположено на основании наблюдаемых свойств лёгких «левых» нейтрино. Стабильные «правые» нейтрино были бы идеальным кандидатом на роль тёмной материи, поскольку они не взаимодействуют ни с одной из известных сил, кроме гравитации. До нашей работы было неизвестно, как они могли образоваться в ранней горячей Вселенной.
Наша гипотеза о зеркалах позволила нам точно рассчитать, сколько их должно образоваться, и показать, что они могут объяснить существование тёмной материи в космосе.
Из этого следует проверяемое предсказание: если тёмная материя состоит из стабильных правозакрученных нейтрино, то одно из трёх известных нам лёгких нейтрино должно быть абсолютно безмассовым. Примечательно, что это предсказание сейчас проверяется с помощью наблюдений за гравитационным скоплением материи, сделанных в ходе крупномасштабных исследований галактик.
Энтропия вселенных
Воодушевлённые этим результатом, мы взялись за решение другой большой загадки: почему Вселенная настолько однородна и пространственно плоска, а не искривлена, в самых больших видимых масштабах? В конце концов, сценарий космической инфляции был придуман теоретиками для решения этой проблемы.
Энтропия — это понятие, которое количественно определяет количество различных способов, которыми может быть организована физическая система. Например, если мы поместим несколько молекул воздуха в коробку, наиболее вероятными будут конфигурации, которые максимизируют энтропию, — когда молекулы более или менее равномерно распределены по пространству и более или менее равномерно распределяют общую энергию.
Такого рода аргументы используются в статистической физике — области, которая лежит в основе нашего понимания тепла, работы и термодинамики.
Покойный физик Стивен Хокинг и его коллеги, как известно, обобщили статистическую физику, включив в неё гравитацию. Используя элегантный аргумент, они рассчитали температуру и энтропию чёрных дыр. Используя нашу «зеркальную» гипотезу, нам с Бойлом удалось распространить их аргументы на космологию и рассчитать энтропию целых вселенных.
К нашему удивлению, Вселенная с наибольшей энтропией (то есть наиболее вероятная, как и атомы, распределённые в коробке) плоская и расширяется с ускорением, как и реальная Вселенная. Таким образом, статистические аргументы объясняют, почему Вселенная плоская и однородная и имеет небольшое положительное ускорение расширения без необходимости в космической инфляции.
Как в нашей симметричной зеркальной Вселенной могли возникнуть первичные колебания плотности, которые обычно связывают с инфляцией? Недавно мы показали, что определённый тип квантового поля (поле нулевой размерности) генерирует именно те колебания плотности, которые мы наблюдаем, без инфляции. Важно отметить, что эти колебания плотности не сопровождаются гравитационными волнами с большой длиной волны, которые предсказывает инфляция и которые не были обнаружены.
Эти результаты очень обнадеживают. Но необходимо провести дополнительные исследования, чтобы показать, что наша новая теория является как математически обоснованной, так и физически реалистичной.
Даже если наша новая теория потерпит неудачу, она преподала нам ценный урок. Вполне возможно, что существуют более простые, мощные и поддающиеся проверке объяснения основных свойств Вселенной, чем те, что предлагает стандартная ортодоксальная теория.
Решая сложные задачи космологии, опираясь на наблюдения и исследуя ещё не изученные направления, мы можем заложить более прочную основу как для фундаментальной физики, так и для нашего понимания Вселенной.
Нил Турок, кафедра теоретической физики имени Хиггса, Эдинбургский университет
Эта статья перепечатана с The Conversation по лицензии Creative Commons.