Мы живем в золотой век познания Вселенной. Наши самые мощные телескопы показали, что космос на удивление прост в самых больших видимых масштабах. Точно так же наш самый мощный «микроскоп», Большой адронный коллайдер, не обнаружил никаких отклонений от известной физики даже в малейших масштабах.
Эти результаты оказались не такими, как ожидало большинство теоретиков. Сегодня доминирующий теоретический подход сочетает в себе теорию струн, мощную математическую основу без успешных физических предсказаний, и «космическую инфляцию» — идею о том, что на очень ранней стадии Вселенная сильно раздулась в размерах. В сочетании теория струн и инфляция предсказывают, что космос будет невероятно сложным в крошечных масштабах и совершенно хаотичным в очень больших масштабах.
Природа ожидаемой сложности может принимать ошеломляющее разнообразие форм. На этом основании и несмотря на отсутствие наблюдательных данных многие теоретики продвигают идею «мультивселенной»: неконтролируемого и непредсказуемого космоса, состоящего из множества вселенных, каждая из которых имеет совершенно разные физические свойства и законы.
Пока наблюдения говорят об обратном. Что нам делать с этим несоответствием? Одна из возможностей заключается в том, что кажущаяся простота Вселенной — это просто случайность ограниченного диапазона масштабов, которые мы можем исследовать сегодня, и что, когда наблюдения и эксперименты достигнут достаточно малых или достаточно больших масштабов, заявленная сложность будет раскрыта.
Другая возможность состоит в том, что Вселенная на самом деле очень проста и предсказуема как в самых больших, так и в самых маленьких масштабах. Я считаю, что к этой возможности следует относиться гораздо серьезнее. Ибо, если это правда, мы можем оказаться ближе, чем мы себе представляли, к пониманию самых основных загадок Вселенной. И некоторые ответы, возможно, уже смотрят нам в лицо.
Проблема с теорией струн и инфляцией
Нынешняя ортодоксальность является кульминацией десятилетий усилий тысяч серьезных теоретиков. Согласно теории струн, основными строительными блоками Вселенной являются крошечные вибрирующие петли и кусочки субатомных струн. Как сейчас понимают, теория работает только в том случае, если существует больше измерений пространства, чем те три, которые мы наблюдаем. Итак, теоретики струн предполагают, что причина, по которой мы их не обнаруживаем, заключается в том, что они крошечные и свернутые.
К сожалению, из-за этого теорию струн трудно проверить, поскольку существует почти невообразимое количество способов свертывания малых измерений, каждый из которых дает свой набор физических законов в оставшихся, больших измерениях.
Между тем, космическая инфляция — это сценарий, предложенный в 1980-х годах для объяснения того, почему Вселенная такая гладкая и плоская в самых больших масштабах, которые мы можем видеть. Идея состоит в том, что зародившаяся Вселенная была маленькой и комковатой, но экстремальный взрыв сверхбыстрого расширения значительно увеличил ее размеры, сгладив и сплющив ее, чтобы она соответствовала тому, что мы видим сегодня.
Инфляция также популярна, потому что она потенциально объясняет, почему плотность энергии в ранней Вселенной немного менялась от места к месту. Это важно, потому что более плотные области позже разрушились бы под действием собственной гравитации, что привело бы к образованию галактик.
За последние три десятилетия изменения плотности измерялись все точнее и точнее путем картирования космического микроволнового фона — излучения Большого взрыва — и путем картирования трехмерного распределения галактик.
В большинстве моделей инфляции ранний экстремальный взрыв расширения, который сгладил и сплющил Вселенную, также породил длинноволновые гравитационные волны – рябь в ткани пространства-времени. Такие волны, если бы они наблюдались, были бы сигналом «дымящегося пистолета», подтверждающим, что инфляция действительно имела место. Однако до сих пор наблюдения не смогли обнаружить ни одного такого сигнала. Вместо этого, по мере того, как эксперименты постоянно улучшались, все больше и больше моделей инфляции исключались.
Более того, во время инфляции разные регионы космоса могут испытывать очень разную степень расширения. В очень больших масштабах это создает мультивселенную постинфляционных вселенных, каждая из которых имеет разные физические свойства.
Инфляционный сценарий основан на предположениях о существующих формах энергии и начальных условиях. Хотя эти предположения решают одни загадки, они создают другие. Теоретики струн и инфляции надеются, что где-то в обширной инфляционной мультивселенной существует область пространства и времени, свойства которой соответствуют той Вселенной, которую мы видим.
Однако даже если это правда (и ни одна такая модель еще не найдена), справедливое сравнение теорий должно включать «фактор Оккама», количественно определяющий бритву Оккама, которая наказывает теории со многими параметрами и возможностями по сравнению с более простыми и более прогнозирующими. . Игнорирование фактора Оккама равносильно предположению об отсутствии альтернативы сложной и непредсказуемой гипотезе – утверждение, которое, по моему мнению, не имеет под собой никаких оснований.
За последние несколько десятилетий появилось много возможностей для экспериментов и наблюдений, позволяющих выявить конкретные сигналы теории струн или инфляции. Но ни одного не было замечено. Снова и снова наблюдения оказывались проще и минималистичнее, чем ожидалось.
Я считаю, что настало время признать эти неудачи и извлечь из них уроки, а также начать серьезно искать лучшие альтернативы.
Более простая альтернатива
Недавно мы с моим коллегой Лэтэмом Бойлом попытались построить более простые и проверяемые теории, которые покончат с инфляцией и теорией струн. Опираясь на наблюдения, мы попытались решить некоторые из наиболее глубоких космических загадок с минимумом теоретических предположений.
Наши первые попытки превзошли наши самые оптимистические надежды. Время покажет, выдержат ли они дальнейшую проверку. Однако прогресс, которого мы уже достигли, убеждает меня в том, что, по всей вероятности, существуют альтернативы стандартной ортодоксальности, которая стала смирительной рубашкой, из которой нам нужно вырваться.
Я надеюсь, что наш опыт побудит других, особенно молодых исследователей, исследовать новые подходы, руководствуясь простотой наблюдений, и более скептически относиться к предубеждениям старших. В конечном счете, мы должны учиться у Вселенной и адаптировать наши теории к ней, а не наоборот.
Мы с Бойлем начали с решения одного из величайших парадоксов космологии. Если мы проследим за расширяющейся Вселенной назад во времени, используя теорию гравитации Эйнштейна и известные законы физики, пространство сожмется до одной точки, «начальной сингулярности».
Пытаясь разобраться в этом бесконечно плотном и горячем начале, теоретики, включая нобелевского лауреата Роджера Пенроуза, указывали на глубокую симметрию основных законов, управляющих светом и безмассовыми частицами. Эта симметрия, называемая «конформной» симметрией, означает, что ни свет, ни безмассовые частицы на самом деле не испытывают сокращения пространства при Большом взрыве.
Используя эту симметрию, можно проследить свет и частицы до самого начала. При этом мы с Бойлем обнаружили, что можем описать первоначальную сингулярность как «зеркало»: отражающую границу во времени (где время движется вперед с одной стороны и назад с другой).
Представление Большого взрыва в виде зеркала аккуратно 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 переворачивается пространство, переворачивается время и каждая частица заменяется своей античастицей (частицей, похожей на нее почти во всех отношениях, но с противоположной электрический заряд).
Согласно этой мощной симметрии, называемой CPT-симметрией, «зеркальный» процесс должен происходить точно с той же скоростью, что и исходный. Одна из самых основных загадок Вселенной заключается в том, что она [нарушает симметрию CPT], потому что время всегда бежит вперед и частиц больше, чем античастиц.
Наша зеркальная гипотеза восстанавливает симметрию Вселенной. Когда вы смотрите в зеркало, вы видите за ним свое зеркальное отражение: если вы левша, то изображение правши, и наоборот. Сочетание вас и вашего зеркального отражения более симметрично, чем если бы вы были один.
Точно так же, когда мы с Бойлем экстраполировали нашу Вселенную назад, в период Большого взрыва, мы нашли ее зеркальное отражение, вселенную до взрыва, в которой (относительно нас) время течет вспять, а количество античастиц превышает количество частиц. Чтобы эта картина была правдой, нам не нужно, чтобы зеркальная вселенная была реальной в классическом смысле (точно так же, как нереально ваше изображение в зеркале).
Квантовая теория, которая управляет микрокосмом атомов и частиц, бросает вызов нашей интуиции, поэтому на данный момент лучшее, что мы можем сделать, это думать о зеркальной Вселенной как о математическом устройстве, которое гарантирует, что начальные условия Вселенной не нарушают симметрию CPT. .
Удивительно, но эта новая картина дала важный ключ к разгадке природы неизвестного космического вещества, называемого темной материей. Нейтрино — это очень легкие призрачные частицы, которые обычно движутся со скоростью, близкой к скорости света, и вращаются при движении, как крошечные волчки.
Если вы укажете большим пальцем левой руки в направлении движения нейтрино, то ваши четыре пальца укажут направление его вращения. Наблюдаемые легкие нейтрино называются «левыми» нейтрино.
Тяжелые «правые» нейтрино никогда не наблюдались напрямую, но их существование было сделано на основе наблюдаемых свойств легких левых нейтрино. Стабильные правосторонние нейтрино были бы идеальными кандидатами на роль темной материи, поскольку они не взаимодействуют ни с одной из известных сил, кроме гравитации. До нашей работы было неизвестно, как они могли образоваться в горячей ранней Вселенной.
Наша гипотеза зеркала позволила нам точно рассчитать, сколько из них образовалось, и показать, что они могут объяснить космическую темную материю.
Последовало проверяемое предсказание: если темная материя состоит из стабильных правых нейтрино, то одно из трех известных нам легких нейтрино должно быть абсолютно безмассовым. Примечательно, что это предсказание сейчас проверяется с помощью наблюдений за гравитационной кластеризацией материи, сделанных в ходе крупномасштабных исследований галактик.
Энтропия вселенных
Воодушевленные этим результатом, мы приступили к решению еще одной большой загадки: почему Вселенная такая однородная и пространственно плоская, а не искривленная в крупнейших видимых масштабах? В конце концов, сценарий космической инфляции был придуман теоретиками для решения этой проблемы.
Энтропия — это концепция, которая количественно определяет количество различных способов организации физической системы. Например, если мы поместим несколько молекул воздуха в ящик, наиболее вероятными будут конфигурации, максимизирующие энтропию: молекулы более или менее плавно распространяются по пространству и более или менее равномерно распределяют общую энергию. Подобные аргументы используются в статистической физике, области, которая лежит в основе нашего понимания тепла, работы и термодинамики.
Покойный физик Стивен Хокинг и его коллеги прославились тем, что обобщили статистическую физику, включив в нее гравитацию. Используя элегантный аргумент, они рассчитали температуру и энтропию черных дыр. Используя нашу «зеркальную» гипотезу, нам с Бойлем удалось распространить свои аргументы на космологию и вычислить энтропию целых вселенных.
К нашему удивлению, Вселенная с самой высокой энтропией (то есть наиболее вероятной, как и атомы, разбросанные в ящике) плоская и расширяется с ускорением, как и реальная. Таким образом, статистические аргументы объясняют, почему Вселенная плоская и гладкая и имеет небольшое положительное ускоренное расширение без необходимости космической инфляции.
Как в нашей симметричной зеркальной Вселенной могли возникнуть первичные изменения плотности, обычно приписываемые инфляции? Недавно мы показали, что определенный тип квантового поля (поле нулевой размерности) генерирует именно тот тип изменений плотности, который мы наблюдаем, без инфляции. Важно отметить, что эти изменения плотности не сопровождаются длинноволновыми гравитационными волнами, которые предсказывает инфляция и которые не наблюдались.
Эти результаты очень обнадеживают. Но необходима дополнительная работа, чтобы показать, что наша новая теория является математически обоснованной и физически реалистичной.
Даже если наша новая теория потерпит неудачу, она преподаст нам ценный урок. Вполне возможно, что существуют более простые, более убедительные и более проверяемые объяснения основных свойств Вселенной, чем те, которые предлагает стандартная ортодоксальная теория.
Столкнувшись с глубокими загадками космологии, руководствуясь наблюдениями и исследуя еще неизведанные направления, мы сможем заложить более надежные основы как фундаментальной физики, так и нашего понимания Вселенной.
