Команда ученых под руководством Рауля Хименеса, профессора ICREA в Институте космических наук Университета Барселоны, вместе с коллегами из Университета Падуи (Италия) предложила новое объяснение тому, как родилась наша Вселенная. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review Research, кардинально меняет представление о первых мгновениях после Большого взрыва. При этом ученые обошлись без спекулятивных допущений, на которые обычно опирается современная физика.

Десятилетиями космологи придерживались теории инфляции. Согласно ей, Вселенная в первые доли секунды пережила невероятно быстрый, экспоненциальный рост, что и заложило основу для всего, что мы видим вокруг. Однако у этой модели есть серьезный недостаток: в ней слишком много так называемых свободных параметров. Их можно как угодно подстраивать под данные наблюдений, из-за чего сложно понять, действительно ли теория что-то предсказывает или же ее просто «подгоняют» под известный результат.

Новая модель предлагает изящный выход. Она описывает раннюю Вселенную без всяких произвольных параметров. Вместо гипотетической инфляции она начинается с хорошо изученного состояния — пространства-де Ситтера. Оно соответствует современным наблюдениям за темной энергией, которая отвечает за ускоряющееся расширение Вселенной.

Пространство-де Ситтера — это математическая модель Вселенной, которая равномерно и с ускорением расширяется во всех направлениях, причем это расширение обеспечивается не материей, а некой внутренней энергией вакуума (сегодня мы называем ее темной энергией). Проще говоря, это гладкое, пустое и постоянно «распухающее» пространство. Его ключевая особенность — однородность и предсказуемость. Именно такое состояние, согласно новой теории, могло быть исходной точкой, из которой благодаря квантовым флуктуациям и родилась вся структура нашей Вселенной.

Ключом к разгадке стали гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени. Модель предполагает, что именно эти естественные квантовые флуктуации, а не некие гипотетические поля, были тем самым «семенем», из которого выросли галактики, звезды и планеты. Эти волны вели себя сложным, нелинейным образом: взаимодействовали друг с другом, усиливались и в конечном счете создали те уплотнения материи, что мы видим сегодня. И что самое главное — все эти предсказания можно проверить с помощью реальных данных.

Мы десятилетиями пытались объяснить рождение Вселенной, опираясь на модели с элементами, которые никто и никогда не наблюдал, — говорит Рауль Хименес. — Наша идея впечатляет тем, что она проста и проверяема. Мы не добавляем ничего спекулятивного, а показываем, что лишь гравитации и квантовой механики может быть достаточно, чтобы объяснить всю сложность космоса.

Понимание истоков мироздания — это не просто философский вопрос. Оно помогает нам найти ответ на главные вопросы: кто мы и откуда пришли. Новая теория предлагает минималистичное, элегантное и потенциально опровержимое видение. В этом и заключается лучшая наука: она дает четкие предсказания, которые будущие наблюдения — за гравитационными волнами и крупномасштабной структурой Вселенной — смогут либо подтвердить, либо опровергнуть.

Эти результаты намекают, что для объяснения космоса нам, возможно, не нужны спекулятивные сущности. Достаточно лишь глубокого понимания гравитации и квантовой физики. Если модель подтвердится, это откроет новую главу в нашей истории о рождении Вселенной.

Польза этого исследования выходит далеко за рамки чистого любопытства.

• Во-первых, оно предлагает мощный инструмент для бритвы Оккама в космологии. Упрощение теории, избавление от нагромождения гипотетических сущностей (инфлатонов, новых полей) — это огромный шаг к более фундаментальному пониманию законов физики. Мы как бы очищаем картину от лишнего шума.
• Во-вторых, если модель верна, она тесно связывает две великие, но пока несовместимые теории — квантовую механику и общую теорию относительности — через их самое очевидное дитя: гравитационные волны. Это может указать путь к теории квантовой гравитации.
• Наконец, практическая польза — это точные и проверяемые предсказания. Они позволяют нам точно знать, что искать в данных новых обсерваторий (например, LISA), и либо подтвердить теорию, либо окончательно от нее отказаться, что тоже является прогрессом. Это фокусирует усилия и многомиллиардные инвестиции в науку на правильных направлениях.

Отметим, что новая модель, при всей ее элегантности, должна не просто альтернативно объяснить известные данные, но и предсказать что-то новое, чего не предсказывает инфляция. Стандартная инфляционная парадигма невероятно гибка и уже объясняет широкий спектр наблюдений (например, плоскось Вселенной, спектр космического микроволнового фона). Пока не до конца ясно, способна ли модель на основе флуктуаций гравитационных волн в пространстве-де Ситтера с одинаковой точностью воспроизвести все эти наблюдательные данные, особенно тонкие детали в реликтовом излучении. Кроме того, потребуются сложные расчеты нелинейной эволюции этих волн, что является нетривиальной математической и вычислительной задачей. Пока статья представляет собой красивую теоретическую концепцию, и ее ждет долгий путь строгой количественной проверки против всего массива космологических данных.

Ранее мы разбирались, можно ли отменить гравитацию.