Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Общая теория относительности (ОТО) прекрасно описывает движение планет, черные дыры и расширение Вселенной. У нее, однако, есть важное ограничение: при экстремально высоких энергиях, например, вблизи момента Большого взрыва, она становится ненадежной. Уравнения приводят к сингулярности — состоянию с бесконечной плотностью и кривизной пространства-времени, где привычные законы физики теряют смысл. Это означает, что ОТО, вероятно, не окончательная теория, а низкоэнергетическое приближение к чему-то более фундаментальному.
Одним из возможных кандидатов считается квантовая гравитация. Согласно ей, на очень высоких энергиях привычная гравитация меняется, дополняясь новыми квантовыми эффектами, связанными с тем, как искривлено пространство-время. Такие поправки давно рассматриваются как способ сделать гравитацию пригодной для описания высоких энергий.
Именно на этой идее построена знаменитая инфляционная модель Старобинского, где ранняя Вселенная переживает фазу стремительного расширения. Однако новые космологические данные все чаще ставят эту классическую версию под сомнение.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, предложили более радикальный сценарий. Вместо того чтобы добавлять поправки к ОТО, физики предположили, что в самом начале существовала только чистая квантовая гравитация. И лишь позже, по мере охлаждения и расширения Вселенной, «возникла» теория Эйнштейна (как эффективное описание низких энергий).
Параметры такой теории не постоянны и меняются вместе с масштабом: взаимодействия на сверхвысоких энергиях становятся слабее. Этот режим ученые называют асимптотической свободой. Он позволяет описывать самые ранние этапы существования Вселенной без математических бесконечностей, которые возникают в ОТО.
Именно такое поведение параметров, по расчетам, может естественным образом запускать инфляцию — период крайне быстрого расширения Вселенной. Отметим, сама по себе теория инфляции на данный момент не доказана эмпирическими наблюдениями, в отличие от модели Большого взрыва, которая хорошо подтверждается наблюдениями.
В новой модели пространство сначала находится в почти стабильном состоянии, но квантовые эффекты постепенно «сдвигают» его динамику, и космос начинает стремительно расширяться. Это расширение похоже на плавное скатывание системы с почти ровной поверхности, где небольшие квантовые изменения со временем накапливаются и меняют эволюцию Вселенной.
После окончания инфляции сценарий становится менее привычным. В стандартных космологических моделях поле, отвечающее за инфляцию, начинает колебаться и передает свою энергию частицам, «разогревая» Вселенную. В новой работе этого не происходит в традиционном смысле: система переходит в режим, где главную роль играет не потенциальная энергия поля, а его движение — именно оно определяет дальнейшую эволюцию космоса.
Дальше — самое интересное. При еще более низких энергиях теория выходит за пределы области, где можно использовать обычные вычисления. В этой зоне, как полагают авторы статьи, квантовая гравитация становится сильной и именно здесь может возникать привычная гравитация Эйнштейна. После этого Вселенная переходит в стандартную горячую фазу, в которой уже формируются элементарные частицы, излучение и будущие структуры вроде галактик.
Особенно интересно, что такую модель можно проверить наблюдениями. Она дает конкретные предсказания для характеристик реликтового излучения — слабого «эха» ранней Вселенной, которое фиксируют космические телескопы. В частности, речь идет о параметрах, описывающих распределение первичных флуктуаций и гравитационных волн. Иными словами, физики показали, что их сценарий может лучше согласовываться с современными данными, чем классическая модель инфляции, хотя различия пока находятся на грани точности измерений.
Модель, при этом, требует довольно необычного условия: существования очень большого числа дополнительных квантовых полей. Это выглядит экзотично, но в некоторых теоретических подходах подобные наборы не исключены.
Важно понимать, что речь идет о теоретической гипотезе. Квантовая гравитация пока остается областью без прямых экспериментальных подтверждений, и ни одна из подобных моделей не имеет наблюдательных доказательств своего существования. То есть новая исследование предлагает математически последовательный сценарий ранней Вселенной, который можно тестировать в будущих космологических наблюдениях. Правда, до проверки этой картины еще далеко.
Автор: Любовь Соколова