Возможно, Большой взрыв не был абсолютным началом всего. Согласно спорной космологической модели, он был границей, отделяющей нашу Вселенную от зеркальной Вселенной, где время течет в обратном направлении.
Идея, разработанная Нилом Туроком, Лэтэмом Бойлом и их коллегами из Института Периметра, основана на поразительной особенности ранней Вселенной. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была удивительно простой: пространство было почти плоским, заполнено в основном излучением и точно описывалось стандартной моделью Фридмана — Робертсона — Уокера. Крошечные флуктуации плотности были почти идеально масштабно-инвариантными и гауссовыми, без каких-либо признаков первичных векторных или тензорных возмущений.
На протяжении десятилетий космологи объясняли эти условия космической инфляцией — кратким периодом чрезвычайно быстрого расширения Вселенной перед горячим Большим взрывом.
Турок и Бойл предлагают другой подход. Вместо того чтобы вводить более раннюю инфляционную фазу, они плавно продлевают действие законов физики до самого Большого взрыва и требуют, чтобы Вселенная подчинялась CPT-инвариантности — принципу, согласно которому законы физики остаются неизменными при одновременном обращении заряда, пространственных координат и направления времени.
Вселенная, отражённая в Большом взрыве
CPT-инвариантность объединяет три преобразования. Зарядовое сопряжение меняет местами материю и антиматерию. Изменение четности меняет пространственные направления. Обращение времени меняет направление, в котором разворачиваются события. Физика должна оставаться неизменной, когда все три преобразования происходят одновременно.
"Наиболее естественное предположение состоит в том, что Вселенная в целом соблюдает CPT-инвариантность, охватывая не только нашу Вселенную, но и антивселенную," — объясняет Турок.
Согласно этой картине, масштабный фактор, отслеживающий космическое расширение, пропорционален конформному времени вблизи Большого взрыва. Если распространить эту зависимость на сингулярность, получится геометрия, симметричная относительно обращения времени.
Результат не является обычным отскоком. Масштабный фактор обращается в нуль в момент Большого взрыва, который остается сингулярной границей в классическом описании. С другой стороны находится двойник, у которого внутренняя стрелка времени направлена в противоположную от взрыва сторону, как и у нас.
Для наблюдателей там время будет идти как обычно. С нашей стороны их история будет казаться идущей в обратном направлении. Материя здесь будет соответствовать антиматерии там, а пространственная ориентация также изменится на противоположную.
Таким образом, Большой взрыв становится точкой соприкосновения двух половин более крупной структуры, а не единственным началом.
Симметрия выбирает безопасные космические моды
Вблизи Большого взрыва уравнения допускают как регулярные, так и сингулярные формы скалярных, векторных и тензорных возмущений. Условие CPT исключает моды, которые расходятся на границе, и оставляет те, которые остаются конечными.
Для скалярных возмущений такой отбор сохраняет режим, необходимый для возникновения акустических колебаний, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне. Обычно считается, что эти начальные условия были заданы инфляцией. В данном случае такое же поведение следует из симметрии Большого взрыва.
Этот аргумент также подавляет первичную завихренность и устраняет опасные тензорные моды, которые нарушили бы гладкую геометрию вблизи сингулярности. Поскольку безмассовые гравитационные волны не подвержены тому же эффекту образования частиц, что и массивные поля, эта модель не предсказывает наличие длинноволновых первичных гравитационных волн.
Это дает возможность провести прямое тестирование. Подтвержденный фон длинноволновых гравитационных волн, возникших на заре Вселенной, поставил бы под сомнение идеально CPT-симметричную теорию.
Вакуум, который на самом деле не пуст
Из-за искривления пространства-времени «пустое пространство» оказывается на удивление сложным. Разные наблюдатели могут расходиться во мнениях относительно того, содержит ли вакуум частицы, подобно тому, как наблюдатели вблизи черной дыры могут расходиться во мнениях относительно частиц, связанных с излучением Хокинга.
В обычной расширяющейся Вселенной геометрия не определяет один единственный вакуум. Однако во Вселенной, симметричной относительно Большого взрыва, существует предпочтительное состояние, удовлетворяющее законам сохранения заряда, импульса и времени.
Наблюдатели, появившиеся в более поздние времена, не увидели бы этот вакуум пустым. Вместо этого они бы зафиксировали конечное количество частиц, возникших в результате Большого взрыва.
Согласно теории, особенно важен один кандидат: стабильное правостороннее нейтрино. Это стерильное нейтрино будет слабо взаимодействовать с известной материей, будет являться собственной античастицей и будет чрезвычайно тяжёлым.
По расчетам команды, масса около 4,8 × 10^8 гигаэлектронвольт обеспечила бы этим частицам такое количество, которое необходимо для объяснения существования темной материи. Это примерно в 500 миллионов раз больше массы протона.
В отличие от многих теорий темной материи, этот механизм не предполагает тепловое производство или существование новой силы. Частицы появляются, потому что CPT-симметричный вакуум отличается от вакуума, определяемого наблюдателями в далеком будущем.
Турок назвал эту идею экономичным объяснением, поскольку она предполагает минимальное расширение Стандартной модели за счет добавления правосторонних нейтрино, существование которых уже обосновано массой нейтрино.
Материя здесь, антиматерия там
Обычная космология должна объяснить, почему в видимой Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии. Согласно теории CPT, после Большого взрыва баланс меняется на противоположный. На нашей стороне находится материя, а на другой — соответствующий избыток антиматерии.
Во всей паре Вселенной и антивселенной баланс восстанавливается
Два других правосторонних нейтрино остаются нестабильными и связанными с тепловым излучением. Их поведение может способствовать лептогенезу — процессу, который может привести к наблюдаемому дисбалансу в каждой из сторон.
Согласно этому предположению, все три лёгких нейтрино являются майорановскими частицами, то есть каждая из них является своей собственной античастицей, а самое лёгкое нейтрино имеет ровно нулевую массу.
Будущие поиски безнейтринного двойного бета-распада могут подтвердить или опровергнуть предсказание Майораны. Улучшенные космологические измерения общей массы нейтрино могут помочь выяснить, является ли одно из массовых собственных состояний безмассовым.
Утверждения о связи модели с необычными радиособытиями ANITA остаются предварительными. Эксперимент с воздушным шаром в Антарктике зафиксировал направленные вверх сигналы, которые натолкнули на мысль о том, что Землю пересекают чрезвычайно энергичные частицы. Более поздняя интерпретация предполагала, что эти события могут быть связаны с кандидатом в тёмную материю, но эта связь не является обязательной для основной теории.
Практическое значение исследования
Теория превращает несколько космических загадок в связанные между собой экспериментальные вопросы. Измерения массы нейтрино, поиск безнейтринного двойного бета-распада и исследования первичных гравитационных волн могут помочь исключить ключевые элементы модели.
Его практическая ценность может заключаться в том, что оно сужает круг поиска. Вместо того чтобы предполагать существование множества неизвестных частиц и взаимодействий, оно указывает на конкретные свойства нейтрино и конкретное предсказание, связанное с гравитационными волнами.
Эта идея остается незавершенной. Она рассматривает геометрию фона в классическом приближении вблизи сингулярности, где квантовая гравитация может иметь значение, а инфляция по-прежнему с заметным успехом объясняет наблюдаемую Вселенную.
На данный момент CPT-симметричная Вселенная является скорее альтернативой, чем заменой. Его привлекательность заключается в том, что он позволяет задаться вопросом, может ли одна симметрия, распространяющаяся на весь период Большого взрыва, объяснить одновременно темную материю, космическую структуру и разделение на материю и антиматерию.
Результаты исследования доступны онлайн в журнале arXiv.