Меню

Как зародилось время?

Внимательный взгляд на фундаментальные симметрии выявил скрытые закономерности во вселенной. Физики считают, что одни ите же симметрии обозначают изначальную «точку отсчета», породившую время.

В конце августа 2019 года палеонтологи сообщили об обнаружении окаменелостей уплощенного панциря черепахи, на которую, возможно, наступил динозавр, и чьи следы охватывали слой горных пород сверх юрского периода. Редкое обнаружение взаимосвзанных окаменелостей потенциально способствует описанию двух видов животных.

Это аналог того, как космологи делают вывод об истории Вселенной. Подобно окаменелостям, астрономические объекты не случайно разбросаны по всему космосу. Скорее, пространственные корреляции между расположениями таких объектов, как галактики, более подробно расскажут историю древнейшего прошлого.

Нима Аркани-Хамед

Нима Аркани-Хамед

«Палеонтологи делают вывод о существовании динозавров, ибо по-другому рациональным образом пояснить странные структуры костей невозможно», - говорит Нима Аркани-Хамед, физик и космолог из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. - «Мы сегодня смотрим на закономерности в космосе и выводим космологическую историю, чтобы их пояснить».

Космологам известна одна любопытная модель, согласно которой пространство заполнено взамосвязанными парами объектов - горячими точками, которые можно увидеть на картах ранней Вселенной; галактическими парами или скоплениями галактик. Такие пары находят по всему пространству исследуемого космоса. Больше того, вы сами можете увидеть эти «двухточечные корреляции», перемещая линейку по карте неба. Когда обнаруживается один объект, то велика вероятность появления «пары» чуть ли не на другом конце света.

Самое простое объяснение корреляций восходит к парам квантовых частиц, которые колебались в период своего инфляционного зарождения, поскольку пространство экспоненциально расширялось в начале Большого взрыва. Пары частиц, возникшие на ранних этапах, впоследствии как бы «раздвинули» пространство, в результате чего образовались пары, раскиданные далеко друг от друга. Более поздние пары отдалялись друг от друга на меньшее расстояние, рождались более близкие объекты. Можно предположить: подобно ископаемым, парные корреляции, видимые по всему небу, кодируют ход времени - в данном случае, самое начало времени.

Космологи считают, что редкие квантовые флуктуации с участием трех, четырех и более частиц также должны были произойти в момент зарождения Вселенной. По-видимому, сегодня они дали более сложные образования: треугольные расположения галактик, а также четырехугольники, пятиугольники и другие формы. Якобы телескопы еще не обнаружили эти статистически тонкие корреляции «высшей точки», но их кодификация поможет физикам лучше понять первые моменты после Большого взрыва. Если, конечно, таковые существуют.

И все же теоретикам сложно даже рассчитать, как выглядят такие сигналы — тогда и сейчас.

За последние четыре года небольшая группа исследователей подошла к этому вопросу по-новому. Они обнаружили, что форма корреляций напрямую вытекает из симметрий и других глубоких математических принципов. Наиболее важные на сегодняшний день результаты подробно изложены в статье Аркани-Хамеда и трех соавторов, которая была опубликована летом прошлого года.

Физики использовали стратегию, известную как бутстрап. Данный подход выводит законы природы только на основе математической логики и самосогласованности законов, без опоры на эмпирические данные. Используя философию начальной загрузки, исследователи вывели и нашили краткое математическое уравнение, которое описывает возможные закономерности «небесной» корреляции, а также возникающие изначальных компоненты будущей вселенной.

Ева Сильверстейн, физик-теоретик из Стэнфордского университета, которая не участвовала в исследованиях, уточняет, что недавняя статья Аркани-Хамед и его сотрудников - «действительно красивый вклад». Возможно, самый замечательный аспект работы, по словам Сильверстейн, - переопределение природы времени. В новом загрузочном уравнении нигде нет переменной t. Однако предложенная концепция предсказывает космологические треугольники, прямоугольники и другие формы всех размеров, включая историю возникновения и развития квантовых частиц в начале времени.

Это говорит о том, что временная версия космологии может быть иллюзией. Время можно рассматривать как «возникающее» измерение, своего рода голограмму, проистекающую из пространственных корреляций вселенной, которые сами по себе, кажется, происходят из основных симметрий. Проще говоря, этот подход объясняет, почему время началось и почему оно может закончиться.

Карта начала времени

Алан Гут

Алан Гут

В 1980 году космолог Алан Гут, обдумывая ряд космологических особенностей, предположил, что Большой Взрыв начался с внезапного всплеска экспоненциального расширения, известного как «космическая инфляция». Два года спустя многие ведущие космологи мира собрались в Кембридже, Англия, чтобы сгладить детали новой теории. В ходе трехнедельного семинара в Наффилде группа, в которую входили Гут, Стивен Хокинг и Мартин Рис, объединили эффекты короткого инфляционного периода в начале времени. К концу семинара несколько участников рассчитали, что квантовое размежевание во время космической инфляции могло действительно происходить таким образом, чтобы привести к наблюдаемым изменениям плотности во Вселенной. Иначе говоря, теория Большого Взрыва была канонизирована и подогнана под имеющийся у ученых математический аппарат, а также понимание изначальной «точки отсчета» Вселенной.

Но как описать гипотетическое энергетическое поле, вызвавшее космическую инфляцию? Поскольку это поле энергии приводило в движение экспоненциальное расширение пространства, пары частиц могли бы самопроизвольно возникать в первые микросекунды, тем самым породив и время. Такие квантовые частицы можно также рассматривать как своего рода «рябь» в квантовом поле. Известно, что такие пары все время всплывают в квантовых полях, мгновенно заимствуя энергию из поля, что допустимо принципом неопределенности Гейзенберга. Обычно рябь быстро аннигилирует и исчезает, возвращая энергию. Чего не могло произойти во время инфляции. Когда пространство «надулось», готовясь к расширяющейся вселенной, рябь растянулась и разлетелась, «замерзая» как двойные пики плотности. По мере продолжения процесса пики образовывали вложенный рисунок на всех шкалах.

После того, как инфляция закончилась (доли секунды после ее начала), вариации пространственной плотности остались. Исследования космического микроволнового фона показали, что детская вселенная была неоднородной, разница в плотности оценивается примерно в 10000 раз (между «крайними» точками). В течение почти 13,8 миллиардов лет с тех пор гравитация усиливала контраст, притягивая вещество к плотным пятнам: теперь галактики, такие как Млечный путь и Андромеда, в 1 миллион раз плотнее, чем в среднем по космосу. Как писал Гут в своих мемуарах, «тот же принцип неопределенности Гейзенберга, который управляет поведением электронов и кварков, может также быть ответственным за Андромеду и Великую стену!»

Позже космологи начали задумываться о том, какие еще поля или дополнительные механизмы существовали во время космической инфляции, кроме поля инфлатонов, и как они могли изменить сам процесс рождения. Предполагается, что инфлатонное поле должно, по крайней мере, взаимодействовать с гравитационным полем при условии существования последнего, что не факт. Поскольку поля взаимодействовали между собой на квантово-механическом уровне, когда пара частиц материализовалась в поле инфлатона и разрывалась космическим расширением; одна частица должна была самопроизвольно превратиться в две — и, предположительно, «запустить» гравитационное поле. Эта пара и оставшаяся частица инфлатона продолжали разделяться, «замерзая» в пространстве и создавая треугольное расположение концентрированной энергии.

Однако телескопы четко видят только двухточечные корреляции. Корреляции с тремя и более высокими точками — больше предположение, чем реальность. Астрономы утверждают, что их труднее всего обнаружить. Эти сигналы до сих пор скрыты от шума, хотя несколько мощных телескопов, которые появятся в следующем десятилетии, имеют шанс классифицировать соответствующим образом полученные данные.

Космологи все же не унывают и ищут ископаемые сигналы, примеряя повсюду «треугольный шаблон». Для каждой позиции и ориентации шаблона измеряется плотность космического вещества и проецируется на модельный ряд. Если ответ отличается от средней космической плотности (в третьей степени), это то означает трехточечную корреляцию. Изменение силы космологических корреляций как функции различных форм и размеров называется «функцией корреляции», и она кодируется динамикой новых частиц, появившихся во время рождения Вселенной.

Хуан Малдасена

Хуан Малдасена

В 2002 году Хуан Малдасена, физик-теоретик из Института перспективных исследований, успешно рассчитал математические последовательности трехточечных корреляций, возникающих в результате взаимодействия инфлатонов и гравитонов. Расчеты Мальдасены положили начало нового направления, поскольку исследователи применили его методы для определения сигнатур более высоких точек других инфляционных моделей, которые устанавливают дополнительные поля и связанные частицы за пределами инфлатонов и гравитонов.

Но метод Мальдасены для расчета динамики первичных частиц был сложным и концептуально непрозрачным. «Скажем так: это довольно сложно», - утверждает Ги Пиментел, физик из Амстердамского университета и соавтор новой космологической статьи.

Простая симметрия

В марте 2014 года ученые с помощью телескопа BICEP2 обнаружили «вихри», представляющие собой гравитационные остатки космической инфляции. Вихревой паттерн был быстро определен как производная галактической пыли, а не событие незапамятных времен, после чего многие физики, в том числе Аркани-Хамед и Мальдасена, задумались о необходимости заново описать инфляцию.

Объединив свой опыт, два физика предположили, что космическая инфляция описывается терминами сверхмощного коллайдера частиц. Энергия инфлатонного поля способствовала обильному образованию пар частиц, чьи взаимодействия и распад привели к корреляциям более высокого уровня. Процесс, подобный каскадам частиц, вылетающих после столкновений на Большом адронном коллайдере.

Обычно такое переосмысление не приводит к научным революциям. Взаимодействия частиц могут протекать бесчисленными способами, и стандартный метод прогнозирования наиболее вероятных результатов - по сути, принятие взвешенной большего количества возможных цепочек событий, - это сложная задача, трудная для описания. Но физики недавно нашли ярлыки, использующие бутстрап. Используя симметрии, математическую логику и условия согласованности, они определили окончательный ответ, даже не проработав сложную динамику частиц. Расчеты намекают на то, что обычная картина физики элементарных частиц, где последние двигаются и взаимодействуют в пространстве и во времени, может оказаться не лучшим способом описания процессов, происходящих на микро и макроуровнях.

Учитывая эти открытия, Аркани-Хамед и Мальдасена заподозрили, что они могут прийти к более простому пониманию динамики космической инфляции. Они использовали тот факт, что, согласно инфляционной космологии, экспоненциально расширяющаяся вселенная имела почти точную геометрию «пространства де Ситтера», сфероподобного пространства, которое имеет 10 симметрий, или способов, которые могут быть преобразованы и при этом оставаться неизменными. Некоторые из этих симметрий знакомы и остаются в силе сегодня, например, движение или поворот в любом направлении. Законы физики остаются неизменными. Пространство де Ситтера также учитывает симметрию дилатации: когда вы увеличиваете или уменьшаете масштаб, все физические величины остаются неизменными или, самое большее, масштабируются постоянным числом. Наконец, пространство де Ситтера симметрично относительно специальных конформных преобразований: инвертируются все пространственные координаты.

Дуэт обнаружил, что эти 10 симметрий расширяющейся вселенной ограничивают космологические корреляции, которые создаются инфляцией. Принимая во внимание, что при обычном подходе описываются инфлатоны и другие частицы, которые могли бы существовать; предполагая, как они могут двигаться, взаимодействовать и взаимопревращаться; пытаясь выработать пространственный паттерн, ученые перевели 10 симметрий пространства де Ситтера в краткое дифференциальное уравнение, диктующее окончательный вариант начала времени. В статье 2015 года они решили уравнение в «сжатом пределе» на примере очень узких треугольников и четырехугольников, но не смогли решить его полностью.

Вскоре Даниэль Бауманн и Хейден Ли, тогдашний профессор и аспирант в Кембриджском университете, предложили свое решение уравнения Аркани-Хамеда и Малдасены для трех- и четырехточечных корреляционных функций для диапазона возможных исконных полей и связанных частиц. Аркани-Хамед начала сотрудничество с молодыми физиками, четверо из которых работали с «чистой математикой».

Они обнаружили, что определенная четырехточечная корреляционная функция является ключевой, потому что, решив дифференциальное уравнение, описывающее эту функцию, они могут описать и остальные процессы, возникшие после большого Взрыва.

«Они в основном показали, что симметрии с несколькими дополнительными требованиями достаточно сильны, чтобы найти правильный ответ», - говорит Синган Чен, космолог из Гарвардского университета, чьи собственные расчеты о корреляциях высших точек вдохновили Аркани-Хамед и Мальдасену в 2015 году.

Одним из предостережений является то, что уравнение начальной загрузки предполагает слабые взаимодействия между первичными полями, в то время как некоторые модели инфляции требуют наличие более сильной динамики. Аркани-Хамед и компания изучают, как решить проблему слабых корреляций. Да, предложенное ими уравнение упрощает многие существующие расчеты. Например, вычисление Мальдасены 2002 года самой простой трехточечной корреляционной функции, которая занимала десятки страниц, теперь сводится к нескольким строкам. Но этого недостаточно.

До сих пор расчеты касались пространственных закономерностей, которые якобы возникают в результате космической инфляции. Предполагается, что альтернативные теории рождения Вселенной будут иметь различные сигнатуры более высокого уровня.

За последние пять лет вновь возник интерес к космологии отскоков, которая преобразует Большой Взрыв в Большой Отскок предыдущей эпохи. Новый подход, основанный на симметрии, может быть полезен для проведения различий между корреляциями расширяющейся вселенной и той, которая «отскочила».

«Механизм будет другим, симметрии разные», - говорит Пиментел. - «У них другое меню космологических корреляций».

Это дополнительные расчеты для новых математических инструментов. Исследователи также продолжают изучать саму математику. Аркани-Хамед подозревает, что полученное уравнение начальной загрузки может быть связано с геометрическим объектом наподобие амплитуэдра, который еще проще и элегантнее кодирует корреляции, возникающие при рождении вселенной. Новая история не будет содержать переменную, известную как время.

Откуда приходит время

Столкновение частиц порождает временные события - с точки зрения внетемперальной геометрии. В 2013 году многие физики предположили: переменная, которую мы воспринимаем как время, не вписана в физические законы нашей реальности.

Все начинается с Большого взрыва.

Большой взрыв произошел, когда возникло время. И в этом весь парадокс: родилось не пространство, это время возникло. Истинное понимание начального момента, похоже, потребует некоторой перспективы, ибо время материально и описывается «стандартными методами.

Есть только одна загвоздка. Нужна внетемпоральная математика, которая порождает то, что выглядит как вселенная. Только тогда мы опишем и вселенную, и само время. И поймем механизм его «работы».

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2020-01-03 Раздел:Физика