Главная Астрономия Японский физик предположил, как взаимосвязаны инфляция ранней вселенной и темная материя

Скалярно-тензорные теории связывают инфляцию и темную материю?

Инфляционная эпоха, вызвавшая стремительное расширение нашей Вселенной в самые ранние ее моменты, может быть связана с темной энергии, господствующей в наше время. Все дело в призрачном элементе космоса, который изменяет силу гравитации по мере ее развития.

Земля и Солнце. Вид из космоса

Традиционный подход к пониманию гравитации включает в себя знаменитую общую теорию относительности Эйнштейна. Для такой мощной идеи, которая может объяснить все - от орбиты Луны до эволюции всей Вселенной, это довольно простая концепция.

В общей теории относительности существует только пространство-время и содержимое внутри него. Такое содержимое заставляет пространство-время изгибаться и искривляться, а изгиб и искривление пространства-времени диктуют движение содержимого.

Например, наличие планеты искажает пространство-время вокруг нее, заставляя другие объекты следовать по орбитам, или искажения, вызванные звездой, могут отклонить путь проходящего света.

Хотя общая теория относительности является самым простым подходом к гравитации, он не единственный.

Альтернативный вариант, известный как скалярно-тензорная теория, появился в начале 1960-х годов и является направлением, разработанным физиками Робертом Диком и Карлом Брансом, поэтому иногда его называют теорией Бранса-Дика.

В скалярно-тензорных интерпретациях, помимо пространства-времени и его содержимого, существует третий компонент - скалярное поле. Оно пропитывает все пространство-время, и его единственная задача - изменять силу гравитации от места к месту или от времени ко времени.

В общей теории относительности сила гравитации фиксирована; это просто гравитационная постоянная Ньютона, всегда и навсегда. Независимо от того, где и когда вы находитесь во Вселенной, данное количество массы и энергии всегда будет искажать пространство-время одним и тем же образом.

Но в скалярно-тензорных теориях все мениться. Планета в одном конце Вселенной может оказывать более слабое или более сильное воздействие на пространство-время вокруг себя в зависимости от локального значения скалярного поля. Сила гравитации также может меняться со временем, если само скалярное поле эволюционирует.

Ообъединененный космос

Экспериментально общая теория относительности Эйнштейна и скалярно-тензорная теория эквивалентны. ОТО прошла все экспериментальные препятствия, брошенные на ее пути.

Но если вы возьмете скалярно-тензорную теорию и просто предположите, что ваше скалярное поле имеет постоянную величину, равную постоянной Ньютона, то вы получите те же результаты.

Однако поскольку теория относительности намного проще скалярно-тензорных теорий и не существует известного способа отличить их друг от друга, физики предпочитают классическую теорию Эйнштейна.

Если скалярно-тензорная теория верна, то одно и то же тело может иметь разную массу в разных частях вселенной

Вот только есть небольшая проблема: темная энергия. Согласно наблюдениям, расширение Вселенной ускоряется, очень медленно. Единственный способ учесть это в общей теории относительности - включить в уравнения космологическую постоянную, дополнительную величину, которая имеет очень маленькое, но не совсем нулевое значение.

Эта особенность космологической постоянной беспокоит большинство физиков, потому что она кажется невероятно неестественной. Если бы темная энергия имела почти любое другое значение, расширение космоса давно бы разорвало его на части, оставив “сущее” неспособным поддерживать жизнь, включая наблюдателя.

"Добавление дополнительных значений в уравнения" очень похоже на скалярно-тензорные теории. Поэтому с тех пор, как в конце 1990-х годов астрономы открыли темную энергию, физики пытаются понять, есть ли потенциальный способ для отброшенной модели гравитации. Ведь она объясняет ускоренное расширение более естественно.

Любопытно, что нынешняя эпоха - не единственный случай, когда расширение Вселенной пошло в ускоренном темпе.

Космологи полагают, что очень рано после Большого взрыва Вселенная пережила период чрезвычайно быстрого расширения, известный как инфляция. Вы можете задаться вопросом, существует ли связь между ранним периодом инфляции и современным периодом развития темной энергии, и будете правы.

Гравитационные нити

Теперь Мотохико Йошимура, физик из Исследовательского института междисциплинарных наук при Университете Окаяма в Японии, предположил, что скалярно-тензорные теории обеспечивают прямую связь между инфляцией и темной энергией.

Мотохико Йошимура, физик

В этой модели, описанной в статье, опубликованной в базе данных препринтов arXiv, скалярное поле ("тензор" относится к самому пространству-времени) намного сильнее в ранней Вселенной и оно запускает эпоху инфляции. В конце инфляции скалярное поле ослабевает и высвобождает свою энергию в виде всех частиц Стандартной модели.

Важно отметить, что скалярное поле никогда не исчезает. Оно сохраняет некоторое фоновое присутствие, пока Вселенная продолжает развиваться, формируя звезды и галактики.

Затем, после того как космическое расширение разбавляет всю материю до достаточно низкого уровня, скалярное поле снова начинает действовать - но уже на гораздо более слабом уровне - что приводит к появлению темной энергии.

Хотя это интригующая версия, астрономам еще нужно проверить гипотезу тензорного поля. К счастью, нам доступны многие потенциальные реликты Вселенной.

Например, в предлагаемом сценарии гравитация локально может быть настолько сильной, что образует черные дыры, которые дожили до наших дней. Обнаружение доказательств существования первобытных черных дыр помогло бы подкрепить идею Мотохико Йошимуры.

 

Другой подход заключается в поиске гравитационных волн ранней Вселенной, которые остались после завершения инфляции.

Астрономы могут искать эти гравитационные волны либо напрямую, пытаясь обнаружить их в слабом фоновом гуле космоса, либо через их влияние на микроволновый фон.

Физики знают, что темная энергия и инфляция представляют собой текущие границы наших знаний, и только радикальные предложения, подобные этому, и эксперименты, которые будут сопровождаться ими, помогут нам преодолеть границы.

Дата: 12 мая 2022

Автор: Пол Саттер

Поделиться с друзьями: