Квантовая физика двинулась в направлении Большого Взрыва
Современная физика не может описать, что произошло во время Большого Взрыва. Не говоря уж о том, что было до него. Квантовая теория и теория относительности не могут описать, что происходило в этом бесконечно плотном и бесконечно горячем первичном состоянии Вселенной. Только всеобъемлющая теория квантовой гравитации, которая объединяет два этих фундаментальных основания физической теории, может подсказать, с чего все началось.
Ученые из Института гравитационной физики Макса Планка сделали важное открытие в этой области. Согласно их теории, пространство состоит из крошечных «строительных блоков». Взяв это за отправную точку, ученые пришли к одному из самых фундаментальных космологических уравнений — уравнению Фридмана, которое описывает вселенную. Это наводит на мысль, что квантовая механика и теория относительности действительно могут быть объединены.
В течение почти века две крупнейших теории физики сосуществовали, но вступали в противоречие: в то время как общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию, а значит и мир в целом, квантовая физика описывает мир атомов и элементарных частиц. Обе теории отлично работают в пределах ими самими очерченных границ, но ломаются в экстремальных пунктах, на очень малых дистанциях (длина Планка). Пространство и время, получается, не имеют значения в черных дырах и во время Большого Взрыва в первую очередь.
Даниэль Орити из Института Альберта Эйнштейна использует жидкость, чтобы проиллюстрировать эту ситуацию:
«Мы можем описать поведение текущей воды старой проверенной теорией гидродинамики. Но если мы будем сужаться до атомарных размеров, она перестанет работать. Нам понадобится квантовая физика», — подобно тому, как жидкость состоит из атомов, Орити считает, что и пространство должно быть построено из крошечных атомов пространства, а новая теория, которая должна описать их — квантовая гравитация.
Не удивительно — ранее мы писали, что термодинамика не работает на квантовых масштабах.
Непрерывное пространство разбивается на элементарные ячейки
Согласно эйнштейновской теории относительности, пространство представляет собой континуум. Орити разбивает это пространство на ячейки и применяет принципы квантовой физики к ним, к пространству и к теории относительности, описывающей его. Идея унификации именно в этом.
Фундаментальная проблема всех подходов к квантовой гравитации состоит в преодолении огромных масштабов от атомов пространства до измерений вселенной. Но здесь Орити и его коллеги Лоренцо Синдони и Стивен Жиден справились. Их подход заключается в так называемой теории группового поля. Он тесно связан с петлевой квантовой гравитацией, теорией которой занимались ученые.
Теперь перед ними лежит задача описать пространство вселенной в элементарных ячейках. Но как гидродинамику текущей воды можно применить к теории атомов?
Эта крайне сложная математическая задача привела к неожиданному успеху.
«Исходя из особых предположений, пространство состоит из строительных блоков и эволюционирует, как расширяющаяся вселенная», — объясняет Орити. — «Впервые нам удалось вывести уравнение Фридмана непосредственно из нашей полной теории структуры пространства».
Это фундаментальное уравнение, описывающее расширяющуюся вселенную, было разработано русским математиком Александром Фридманом в 1920-х годах на базе общей теории относительности. Ученые преуспели в сокращении разрыва между микромиром и макромиром, а значит и между квантмехом и ОТО: они показали, что пространство возникает как конденсат этих элементарных ячеек и эволюционирует во вселенную, которая чрезвычайно похожа на нашу.
Квантовая гравитация сможет ответить на вопросы относительно Большого Взрыва
Орити и его коллеги видят себя в начале трудного, но перспективного пути. В настоящее время их решение справедливо только для однородной Вселенной, но наш реальный мир является куда более сложным. Он содержит неоднородности, такие как планеты, звезды и галактики. Физики в настоящее время работают над включением их в свою теорию.
И они нацелились на очень серьезные вещи. С одной стороны, они хотят исследовать вопрос возможности описания пространства во время Большого Взрыва. Несколько лет назад Мартин Боховальд обнаружил, что в рамках упрощенной версии петлевой квантовой гравитации возможно проследить эволюцию пространства и времени обратно до Большого Взрыва. Эту теорию взяли на вооружение Орити и коллеги ученого.
Если все будет успешно, исследователи попытаются объяснить предполагаемое инфляционное расширение Вселенной сразу после Большого Взрыва, а также природу таинственной темной энергии, которая заставляет Вселенную расширяться с возрастающей скоростью.
Все ученые сходятся в одном: понять эволюцию Вселенной станет по-настоящему возможным только когда будет разработана теория квантовой гравитации. Но ее ищут более ста лет.
