Физики объяснили, почему ранняя Вселенная стала изотропной

Группа физиков под руководством Аньчжуна Вана из Университета Бейлора, а также ученые из Цзянсийского педагогического университета и других организаций предложила новый механизм, объясняющий, почему наша Вселенная сегодня такая одинаковая во всех направлениях. Исследователи обнаружили, что квантовые эффекты в ранней Вселенной могли самостоятельно подавлять любые неравномерности, возникающие в фазе сжатия, и практически мгновенно делать космос изотропным. Работа опубликована в престижном журнале Physical Review Letters.

Нам привычно, что ночное небо выглядит примерно одинаково, куда ни посмотри, а распределение галактик в больших масштабах удивительно равномерно. Это свойство называют однородностью и изотропией, и оно подтверждено множеством наблюдений. Но теории, описывающие самые первые мгновения жизни Вселенной, часто предсказывают обратное: на начальных этапах пространство могло быть хаотичным, с разными скоростями расширения в разных направлениях. Как же такой неупорядоченный мир превратился в тот спокойный космос, который мы видим сегодня?

Одна из популярных идей это космический отскок, приходящий на смену Большому взрыву. В рамках петлевой квантовой космологии считается, что Вселенная не родилась из точки бесконечной плотности, а возникла после сжатия предыдущей фазы, когда квантовые эффекты остановили коллапс и запустили обратное расширение. Это изящно обходит проблему начальной сингулярности, но порождает другую трудность: любые, даже самые слабые отклонения от изотропии во время сжатия должны резко усиливаться при приближении к точке отскока. В итоге Вселенная рисковала выйти из этого состояния сильно деформированной, что противоречит тому, что мы наблюдаем.

Авторы новой работы взяли за основу модифицированную версию петлевой квантовой космологии, известную как mLQC-I, и проследили эволюцию так называемой Вселенной Бьянки I — модели, где расширение по осям происходит с разной скоростью. Оказалось, что в этой теории квантовые поправки к геометрии пространства-времени начинают действовать прямо в окрестностях планковского масштаба, то есть на самых микроскопических расстояниях. Эти поправки не просто ослабляют анизотропию, а фактически гасят ее в течение очень короткого времени после отскока, причем независимо от того, какая обычная материя наполняла Вселенную

Иными словами, сама квантовая природа гравитации работает как природный сглаживающий фильтр. Вместо того чтобы требовать особых экзотических полей или тонкой подстройки начальных условий, модель mLQC-I предлагает внутренний механизм, который сам приводит космос к изотропному состоянию практически сразу после перехода от сжатия к расширению. Это происходит настолько эффективно, что уже в глубоком квантовом режиме Вселенная становится гладкой, а все неравномерности, которые могли существовать до отскока, бесследно исчезают.

Такое объяснение устраняет давнюю концептуальную проблему сценариев отскока и дает надежную стартовую точку для последующих этапов, например, для космической инфляции, которая, как считается, произошла чуть позже. Теперь теория не оставляет «хвостов» анизотропии, которые могли бы испортить картину наблюдаемой Вселенной. Это важно, потому что любое сохранившееся искажение отразилось бы на реликтовом излучении и распределении галактик, а значит, было бы замечено.

Конечно, пока это чисто теоретическая модель, но ее авторы уже планируют следующий шаг: рассчитать, какие первичные возмущения плотности могли родиться в эту изотропную фазу, и как они связаны с тем, что мы видим в космическом микроволновом фоне или в гравитационных волнах. Если удастся найти уникальные отпечатки именно этого механизма, то у ученых появится способ проверить квантовую космологию прямыми наблюдениями.

Итог исследования: группа физиков показала, что в модифицированной петлевой квантовой космологии квантовые эффекты сами по себе способны за считанные мгновения после космического отскока полностью погасить любые неравномерности расширения, делая Вселенную гладкой и изотропной без привлечения дополнительных сущностей. Это не только снимает давнюю проблему анизотропии, но и прокладывает мост между квантовой теорией гравитации и реальными астрономическими данными, которые можно будет проверить в будущем.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях