Учёные предложили квантовый механизм который объясняет однородность Вселенной
Учёные предложили новый механизм, который может объяснить, почему современная Вселенная выглядит такой однородной и одинаковой во всех направлениях, несмотря на возможные сильные неоднородности на ранних этапах её существования. Исследователи считают, что квантовые эффекты гравитации могли быстро устранить различия в расширении пространства после рождения Вселенной.
Международная группа физиков из Университета Бейлора, Цзянсийского педагогического университета, Государственного университета Рио-де-Жанейро и Федерального университета Флуминенсе разработала теоретическую модель, описывающую раннюю эволюцию Вселенной. Работа основана на подходе под названием модифицированная петлевая квантовая космология (mLQC-I) и опубликована в журнале Physical Review Letters.
Современные наблюдения показывают, что Вселенная отличается высокой степенью однородности и изотропности. Это означает, что материя в больших масштабах распределена достаточно равномерно, а свойства космоса практически одинаковы во всех направлениях.
Однако существующие физические модели предполагают, что в первые моменты после возникновения Вселенная могла быть значительно более хаотичной. Разные области пространства могли расширяться с разной скоростью, создавая сильные различия, которые называют анизотропиями.
Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, начало Вселенной связано с сингулярностью — состоянием бесконечно высокой плотности, где привычные законы физики перестают работать. Одним из способов избежать этой проблемы являются модели квантового «отскока», в которых расширяющаяся Вселенная возникает после предыдущей фазы сжатия.
В петлевой квантовой космологии предполагается, что Вселенная не достигает точки бесконечной плотности, а проходит через состояние минимального размера, в котором квантовые свойства пространства-времени вызывают переход от сжатия к расширению. Этот процесс получил название квантового отскока.
Главная проблема таких моделей заключается в так называемой проблеме анизотропии. Во время сжатия Вселенной даже небольшие различия в скорости расширения разных направлений могут быстро усиливаться, и после квантового отскока космос должен был бы остаться сильно неоднородным.
Исследователи изучили особый вариант ранней Вселенной — модель Бьянки I, в которой пространство может расширяться с разными скоростями в различных направлениях. Учёные использовали математическое описание mLQC-I, чтобы проверить, как квантовые эффекты влияют на такие неоднородности.
Расчёты показали, что в момент перехода через квантовый отскок геометрические свойства пространства начинают подавлять анизотропию. Даже если до этого Вселенная была сильно неоднородной, квантовые поправки способны быстро уменьшить различия и привести её к гладкому и симметричному состоянию.
По словам исследователей, обнаруженный механизм самовыравнивания Вселенной полностью связан с квантовыми свойствами пространства-времени и не требует введения необычных форм материи или дополнительных физических полей.
«Главный результат нашей работы заключается в открытии механизма самоперехода к изотропному состоянию, который возникает благодаря не возмущательным квантовым эффектам», — отметил один из авторов исследования Анжун Ван.
Учёные считают, что этот механизм может решить одну из главных проблем моделей квантового космологического отскока. Он показывает, каким образом Вселенная могла перейти от сложного и неоднородного раннего состояния к почти идеально гладкому космосу, который наблюдается сегодня.
Новая работа также создаёт возможную связь между теориями квантовой гравитации и наблюдаемыми свойствами современной Вселенной. Если модель подтвердится, она может помочь лучше понять процессы, происходившие в первые мгновения после начала расширения космоса.
В будущем исследователи планируют изучить, какие следы этот квантовый механизм мог оставить в космическом микроволновом фоне и первичных гравитационных волнах. Такие наблюдаемые признаки могли бы стать способом проверить теорию с помощью астрономических данных.
Учёные также намерены исследовать, как после квантового отскока формировались первичные космологические возмущения и каким образом этот ранний квантовый этап мог привести к появлению Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.
Исследование в журнале Physical Review Letters.