Что такое Большой Взрыв, и что происходило до него? Ученые с физического факультета Варшавского университета предприняли попытку ответить на эти вопросы. В рамках модели петли квантовой гравитации они выдвинули новую теорию, которая может способствовать исследованию событий, происходивших до Большого Взрыва. Модель польских физиков описывает общую теорию Эйнштейна, а не ее сильно упрощенную версию, как большинство других моделей.
Ученые с физического факультета Варшавского университета выдвинули новую теоретическую модель квантовой гравитации, описывающую возникновение пространства-времени на основе теории квантов. Эта модель не только описывает общую теорию относительности Эйнштейна (мало какие современные модели могут этим похвастаться), но и полностью математически состоятельна. «Применяемые нами решения позволяют описать процесс эволюции Вселенной в гораздо более приемлемых с физической точки зрения понятиях по сравнению с предыдущими космологическими моделями», - объясняет профессор Ержи Левандовски. Общая теория относительности описывает Вселенную в космологических масштабах, в то время как квантовая механика – на уровне атомов. Обе теории выдвинуты в начале XX века, и с тех пор их соответствие действительности было подтверждено множеством сложнейших экспериментов и наблюдений. Проблема в том, что эти две теории – взаимоисключающие.
Согласно общей теории относительности, реальность всегда однозначна и четко определена (то же говорит и классическая механика). Однако время и пространство играют важную роль в событиях, и сами они определяются уравнениями Эйнштейна. С другой стороны, согласно квантовой физике, понять природу можно только в общих чертах. Любой прогноз имеет некую вероятность, а его точность ограничена его же неотъемлемыми свойствами. Но законы наиболее распространенных квантовых теорий неприменимы ко времени и пространству. Такие противоречия неуместны в стандартных условиях: галактики не подвержены квантовым явлениям, а в мире атомов и частиц квантовая гравитация почти ни на что не влияет. Тем не менее, гравитация и квантовые эффекты должны объединиться в условиях, приближенных к условиям Большого Взрыва.
Традиционные космологические модели описывают эволюцию Вселенной в рамках общей теории относительности. Уравнения, лежащие в основе теории, предполагают, что Вселенная – это динамический, постоянно расширяющийся объект. Когда теоретики пытаются выяснить, какой Вселенная была в давние времена, они рано или поздно доходят до момента, в который температура и плотность Вселенной были бесконечными – другими словами, физически это невозможно. Следовательно, возникающие бесконечности – признак слабости этих теорий, и показатель того, что Большой Взрыв необязательно был моментом рождения Вселенной.
Чтобы узнать хоть что-то о квантовой гравитации, ученые конструируют упрощенные квантовые модели, известные как квантовые космологические модели, в которых пространство-время и материя выражены только одним или небольшим количеством значений. Например, модель, разработанная Аштекаром, Бойовальдом, Левандовски, Павловски и Сингхом, предполагает, что квантовая гравитация не дает плотности вещества превысить некую критическую величину (вроде плотности Планка). Следовательно, до Большого Взрыва должна была существовать сжимающаяся Вселенная. Когда плотность вещества достигла критического значения, последовало быстрое расширение – Большой Взрыв. Впрочем, это сильно упрощенная модель.
 | Настоящее решение тайны Большого Взрыва лежит в объединении квантовой теории материи и гравитации. Одна из попыток создания такой теории – это петлевая квантовая гравитация. Данная теория утверждает, что пространство соткано из одномерных нитей. «Прямо как ткань – хоть с расстояния она и кажется гладкой, при приближении становится очевидно, что она состоит из целой сети волокон», - рассказывает Войцех Камински, магистр наук Варшавского университета. Если рассматривать пространство как такую ткань, один квадратный сантиметр площади будет состоять из 1066 нитей. Физики Марцин Домагала, Войцех Камински и Ержи Левандовски, совместно с Кристиной Гизель из Университета Луизианы, разработали собственную модель в рамках теории петлевой квантовой гравитации. В основе теории – два поля, первое из которых – гравитационное. «Благодаря общей теории относительности, мы знаем, что гравитация является геометрией пространства-времени. Таким образом, мы можем сказать, что наша точка отправления – трехмерное пространство», - говорит доктор Марцин Домагала. Вторая отправная точка – это скалярное поле, математический конструкт, в котором каждой точке пространства соответствует конкретное значение. В предлагаемой модели скалярные поля рассматриваются как простейшая форма материи. Скалярные поля долгие годы использовались в физике: они применяются в том числе для описания температуры и распределения давления в пространстве. «Мы избрали скалярное поле, так как оно является типичной составляющей современных космологических моделей, а наша цель – создать такую модель, которая будет способствовать дальнейшему развитию исследований квантовой гравитации», - объясняет профессор Левандовски. |
В модели, разработанной варшавскими физиками, время является отношением гравитационного поля (пространства) и скалярного поля – момент времени задается значением скалярного поля. «Мы ставим вопрос о форме пространства при заданном значении скалярного поля, и квантовые уравнения Эйнштейна дают нам ответ», - объясняет Левандовски. Таким образом, феномен течения времени оказывается свойством состояния гравитационного и скалярного полей, а появление такого состояния соответствует рождению хорошо нам известного пространства-времени. «Стоит отметить, что время не существует в самом начале нашей модели. Ничего не происходит. Действие и динамика возникают как взаимодействие между полями, когда мы задаемся вопросами типа «как один объект действует на другой»», - говорит Левандовски. Физики Варшавского университета смогли добиться возможности более точного описания эволюции Вселенной. В то время как модели, основанные на общей теории относительности, чересчур упрощены и предполагают, что гравитационное поле во всех точках Вселенной практически или полностью одинаково, в представленной модели гравитационное поле различается в разных точках пространства.
Предлагаемое теоретическое построение – первая сложная модель, которая является математически состоятельной. Она является естественным продолжением исследования квантизаций гравитации, в которых каждая новая теория выводится из классических. С этой целью физики используют определенные алгоритмы, известные как квантизации. «К несчастью для физиков, алгоритмы крайне неточны. Например, из алгоритма может следовать, что нужно сконструировать Гильбертово пространство, и все – без каких-либо подробностей, - сетует магистр Марцин Домагала. – У нас же получилось выполнить полную квантизацию и получить одну из возможных моделей».
Согласно профессору Левандовски, работы еще много: «Мы разработали определенный теоретический механизм. Мы можем начать забрасывать его вопросами, и он даст нам ответы». Теоретики из Варшавы собираются, в том числе, выяснить, произойдет ли в их модели, собственно, Большой Взрыв. «В будущем мы попробуем включить в модель и другие поля стандартной теории элементарных частиц. Нам самим любопытно, что тогда получится», - говорит Левандовски.
