Новая парадигма для понимания самых ранних эпох в истории Вселенной была разработана учеными из Университета штата Пенсильвания. Используя методы из области современной физики, называемой петлевой квантовой космологией, разработанной в Университете штата Пенсильвания, ученые теперь расширили анализы, включающие квантовую физику еще дальше во времени, чем когда-либо прежде, - вплоть до самого начала. Новая парадигма петлевого квантового происхождения впервые показывает, что крупномасштабные структуры, которые мы сейчас наблюдаем во Вселенной, развились из фундаментальных флуктуаций сущностной квантовой природы «пространства-времени», существовавших даже в самом начале Вселенной более 14 миллиардов лет назад. Достижение также предоставляет новые возможности для проверки конкурирующих теорий современной космологии с прорывными наблюдениями, ожидаемыми от телескопов следующего поколения.
Исследование будет опубликовано 11 декабря 2012 года в качестве статьи «Предложение редактора» в научном журнале Physical Review Letters.
«Мы, люди, всегда стремились узнать больше о происхождении и эволюции нашей вселенной», - сказал Абхай Аштекар, старший автор статьи. «Поэтому в нашей группе сейчас захватывающее время, когда мы начинаем использовать нашу новую парадигму, чтобы более подробно понять динамику материи и геометрии, испытанную в самые ранние эпохи Вселенной, в том числе в самом начале». Аштекар является заведующим кафедрой физики семьи Эберли в Пенсильвании и директором университетского Института гравитации и космоса. Соавторами статьи, наряду с Аштекаром, являются докторанты Иван Агулло и Уильям Нельсон.
Новая парадигма обеспечивает концептуальную и математическую основу для описания экзотической «квантово-механической геометрии пространства-времени» в очень ранней Вселенной. Парадигма показывает, что в эту раннюю эпоху Вселенная была сжата до такой невообразимой плотности, что ее поведение определялось не классической физикой общей теории относительности Эйнштейна, а еще более фундаментальной теорией, которая также включает в себя странную динамику квантовой теории. механика. Плотность вещества тогда была огромной - 1094 грамм на кубический сантиметр, по сравнению с плотностью атомного ядра сегодня, которая составляет всего 1014грамм.
В этой причудливой квантово-механической среде, где можно говорить только о вероятностях событий, а не о достоверности, физические свойства, естественно, сильно отличались бы от того, как мы воспринимаем их сегодня. Среди этих различий, по словам Аштекара, - концепция «времени», а также изменение динамики различных систем во времени по мере того, как они испытывают ткань самой квантовой геометрии.
Ни одна космическая обсерватория не смогла обнаружить что-либо так давно и далеко, как самые ранние эпохи Вселенной, описываемые новой парадигмой. Но несколько обсерваторий приблизились. Космическое фоновое излучение было обнаружено в эпоху, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. К тому времени, после периода быстрого расширения, называемого «инфляцией», Вселенная превратилась в сильно разбавленную версию своего прежнего сверхсжатого «я». В начале инфляции плотность Вселенной была в триллион раз меньше, чем в период ее младенчества, поэтому квантовые факторы сейчас гораздо менее важны в управлении крупномасштабной динамикой материи и геометрии.
Наблюдения за космическим фоновым излучением показывают, что после инфляции Вселенная имела преимущественно однородную консистенцию, за исключением вкраплений света в одни области, которые были более плотными, и в другие, менее плотные. Стандартная инфляционная парадигма для описания ранней Вселенной, использующая уравнения классической физики Эйнштейна, рассматривает пространство-время как гладкий континуум.«Инфляционная парадигма пользуется замечательным успехом в объяснении наблюдаемых особенностей космического фонового излучения. И все же эта модель неполна. Она сохраняет идею о том, что Вселенная возникла из ничего в результате Большого взрыва, что, естественно, является результатом неспособности общей парадигмы - физика относительности для описания экстремальных квантово-механических ситуаций», - сказал Агулло. «Нужна квантовая теория гравитации, такая как петлевая квантовая космология, чтобы выйти за рамки Эйнштейна и захватить истинную физику вблизи происхождения Вселенной».
Ранее работа с петлевой квантовой космологией в группе Аштекара обновила концепцию Большого Взрыва интригующей концепцией Большого Отскока, которая допускает возможность того, что наша Вселенная возникла не из ничего, а из сверхсжатой массы материя, которая ранее, возможно, имела свою собственную историю.
Несмотря на то, что квантово-механические условия в начале Вселенной сильно отличались от условий классической физики после инфляции, новое достижение физиков Пенсильванского университета обнаруживает удивительную связь между двумя различными парадигмами, описывающими эти явления. эпохи. Когда ученые используют инфляционную парадигму вместе с уравнениями Эйнштейна для моделирования эволюции похожих на семена областей, разбросанных по всему космическому фоновому излучению, они обнаруживают, что неоднородности служат семенами, которые со временем эволюционируют в скопления галактик и другие крупномасштабные структуры. мы видим во Вселенной сегодня. Удивительно, но когда ученые Пенсильванского университета использовали свою новую парадигму петлевого квантового происхождения с ее квантово-космологическими уравнениями, они обнаружили, что фундаментальные флуктуации в самой природе пространства в момент Большого отскока эволюционируют, превращаясь в структуры, похожие на семена. на космическом микроволновом фоне.
«Наша новая работа показывает, что начальные условия в самом начале Вселенной естественным образом приводят к крупномасштабной структуре Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня», - сказал Аштекар. «Говоря человеческим языком, это все равно, что сделать снимок ребенка сразу при рождении, а затем спроецировать на его основе точный профиль того, каким этот человек будет в возрасте 100 лет."
Эта статья отодвигает генезис космической структуры нашей Вселенной от инфляционной эпохи до Большого отскока, охватывая около 11 порядков плотности материи и кривизны пространства-времени, - сказал Нельсон. «Теперь мы сузили начальные условия, которые могли существовать при Большом отскоке, плюс мы обнаружили, что эволюция этих начальных условий согласуется с наблюдениями космического фонового излучения».
Результаты группы также определяют более узкий диапазон параметров, для которых новая парадигма предсказывает новые эффекты, отличающие ее от стандартной инфляции. Аштекар сказал: «Удивительно, что вскоре мы сможем проверить различные предсказания этих двух теорий на фоне будущих открытий с помощью наблюдательных миссий следующего поколения. Такие эксперименты помогут нам продолжать глубже понимать очень, очень раннюю Вселенную»."
Исследование было поддержано Национальным научным фондом.