Недавно появилась препринтная работа, где авторы задаются вопросом, который наука долго считала риторическим: а вдруг у пространства больше измерений, чем три?
Не в смысле философской метафоры - в смысле буквальной геометрии, которая могла существовать в первые мгновения после Большого взрыва и оставить отпечатки в реликтовом излучении - древнейшем свете Вселенной, которому около 13,8 миллиарда лет.
Реликтовое, или космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) - это не просто красивая картинка из телескопа Planck. Это снимок Вселенной, сделанный примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда она впервые стала прозрачной для света. В этом излучении закодирована информация о самых ранних состояниях материи и пространства. Даже о том, что происходило ещё до инфляции, то есть до эпохи стремительного расширения, которая «разгладила» первоначальный хаос.
Инфляция — гипотетический период экспоненциального расширения Вселенной, произошедший спустя примерно 10⁻³⁶ секунды после Большого взрыва. За ничтожно малое время Вселенная увеличилась в размерах на многие порядки. Инфляция объясняет однородность CMB и крупномасштабную структуру космоса, но её физический механизм до сих пор не установлен.
Авторы новой работы предполагают, что до начала инфляции Вселенная могла иметь нетривиальную топологию - то есть быть «свёрнутой» или «скрученной» особым образом, а также содержать дополнительные пространственные измерения, которые впоследствии компактифицировались до масштабов, недоступных прямому наблюдению.
Следы этого, по их гипотезе, должны проявляться в статистических аномалиях спектра мощности CMB в том, как флуктуации температуры излучения распределяются по разным угловым масштабам.
Если Вселенная хранит память о своей ранней форме, то найти её следы - всё равно что по едва заметным морщинам на лице прочитать всю биографию человека.
Само по себе это не сенсация и не «доказательство теории струн» - авторы работы осторожны в формулировках, и правильно делают. Но в этом исследовании интересен сдвиг в методологии: физика высоких энергий всё настойчивее смотрит в небо, а не под землю. И это не случайно.
Большой адронный коллайдер разогнал протоны до энергий порядка 13–14 тераэлектронвольт. Ранняя Вселенная в первые доли секунды существовала при энергиях, которые на пятнадцать-двадцать порядков превышают возможности любого ускорителя, построенного или только задуманного человечеством. Это принципиальный предел. Коллайдеры никогда не воспроизведут условия Планковской эпохи. Зато эти условия реально существовали и оставили следы.
Именно поэтому космология становится новым вдохновителем физики элементарных частиц. Не потому что учёные разочаровались в коллайдерах, а потому что поняли - эксперимент уже был поставлен 13,8 миллиарда лет назад, в масштабах всей Вселенной, при условиях, недостижимых в лаборатории. Задача теперь научиться читать его результаты.
Теория струн и её обобщения (М-теория) предсказывают существование от шести до семи дополнительных пространственных измерений сверх трёх привычных. Считается, что они «свёрнуты» до планковских масштабов (~10⁻³⁵ м) и потому недоступны прямому наблюдению. Однако если в ранней Вселенной они были значимы, процессы того времени могли оставить специфические сигнатуры в распределении первичных флуктуаций.
Есть соблазн воспринять подобные работы как очередной спекулятивный всплеск. Теория струн существует уже полвека, и упрёк в отсутствии предсказаний, доступных проверке, звучит давно и справедливо. Но методологический поворот, который демонстрирует эта работа, заслуживает отдельного внимания вне зависимости от того, подтвердятся ли её конкретные выводы.
Физики меняют тактику - вместо того чтобы ждать, когда технологии позволят построить коллайдер планковских энергий (что невозможно в принципе), они учатся извлекать информацию из единственного «эксперимента», который природа уже провела сама. Это интеллектуально честный шаг - признать, что прямой путь закрыт, и искать косвенные свидетельства. Именно так, кстати, была открыта тёмная материя, так обнаружены нейтрино от сверхновой 1987A, так зафиксированы гравитационные волны.
Другой важный момент: статистические аномалии в CMB реально существуют. Квадруполь и октуполь углового спектра CMB ведут себя несколько иначе, чем предсказывает стандартная космологическая модель. Это может быть случайным статистическим выбросом (у Вселенной, в конце концов, только один экземпляр, и выборка не может быть большой). Но это может быть и первым намёком на что-то, лежащее за пределами стандартной модели.
Ранняя Вселенная была единственным экспериментом, который природа поставила при по-настоящему экстремальных условиях. Нам остаётся лишь научиться читать его протокол.
Наконец, стоит отметить, что этот исследовательский подход становится системным. Проекты следующего поколения создаются именно с расчётом на поиск сигнатур ранней Вселенной с беспрецедентной точностью. Физика высоких энергий и космология перестают быть параллельными дисциплинами и становятся единым полем исследований. Возможно, именно здесь, в шуме микроволнового неба, скрыт ответ на вопросы, ради которых строились коллайдеры.
Будет ли найден окончательный ответ неизвестно. Но сам по себе факт, что фундаментальная физика переносит фронт поиска с ускорительных треков на карту реликтового излучения, говорит о зрелости дисциплины.
Свежие новости физики с авторской оценкой и моими комментариями регулярно.
Поставьте лайк и подпишитесь, чтобы не пропускать обновления! Это поможет каналу развиваться, а вам видеть больше интересного из мира физики!