[Перевод] Может ли расширение Вселенной оказаться иллюзией?
Хитрый математический трюк может «изменить масштаб» Вселенной так, что на самом деле она не расширяется. Но сможет ли этот «трюк» выдержать все наши космические проверки?
Стандартная космологическая модель утверждает, что наша Вселенная началась с Большого взрыва и с тех пор расширяется и остывает. В новом исследовании поднимается вопрос о том, что все это может быть миражом, но насколько хорошо эта идея выдерживает тщательную проверку?
В 1920-х годах произошли два события, которые проложили путь к нашему современному пониманию Вселенной. С теоретической стороны подоспел вывод о том, что если ваша Вселенная подчиняется законам Общей теории относительности и в среднем равномерно заполнена материей и энергией, то она не может быть статичной и стабильной, а должна либо расширяться, либо сжиматься. С наблюдательной стороны мы начали находить галактики за пределами Млечного Пути и быстро установили, что (в среднем) чем дальше от нас они находятся, тем быстрее удаляются.
Просто соединив теорию и наблюдения, мы получили представление о расширяющейся Вселенной, которое с тех пор остаётся с нами. Наша стандартная космологическая модель — включающая Большой взрыв, космическую инфляцию, формирование космической структуры, тёмную материю и тёмную энергию — построена на базовом фундаменте представления о расширяющейся Вселенной.
Но является ли расширяющаяся Вселенная абсолютной необходимостью, или есть способ обойти её? В новой интересной работе, которая недавно получила широкую огласку, физик-теоретик Лукас Ломбризер утверждает, что расширяющуюся Вселенную можно «убрать», манипулируя уравнениями общей теории относительности. По его сценарию, наблюдаемое космическое расширение окажется всего лишь миражом. Но соответствует ли это уже известным нам научным данным? Давайте разберёмся.
В вакууме космоса весь свет, независимо от длины волны или энергии, движется с одинаковой скоростью: скоростью света в вакууме. Когда мы наблюдаем свет от далёкой звезды, мы наблюдаем свет, который уже прошёл путь от источника до наблюдателя.
Время от времени мы осознаем, что существует несколько разных способов взглянуть на одно и то же явление. Если эти два способа физически эквивалентны, то мы понимаем, что между ними нет никакой разницы, и какой из них выбрать — это просто вопрос личных предпочтений.
Например, в оптике можно описать свет либо как волну (как это сделал Гюйгенс), либо как луч (как это сделал Ньютон), и в большинстве экспериментальных обстоятельств эти два описания дают идентичные предсказания.
В квантовой физике, где квантовые операторы действуют на квантовые волновые функции, вы можете либо описать частицы с волновой функцией, которая эволюционирует, и с неизменными квантовыми операторами, либо оставить частицы неизменными и заставить квантовые операторы эволюционировать.
Или, как это часто бывает в теории относительности Эйнштейна, вы можете представить, что у двух наблюдателей есть часы: один на платформе, а другой в движущемся поезде. Вы можете описать это одинаково хорошо двумя различными сценариями: пусть платформf находится в состоянии «покоя» и наблюдает, как поезд испытывает эффекты замедления времени и сокращения длины во время движения, или пусть поезд находится в состоянии «покоя» и наблюдает, как наблюдатель на платформе испытывает замедление времени и сокращение длины.
Как следует из самого слова «относительный», эти сценарии, если они дают идентичные друг другу предсказания, эквивалентны.
Один из революционных аспектов релятивистского движения, выдвинутый Эйнштейном, но ранее созданный Лоренцем, Фицджеральдом и другими, заключается в том, что быстро движущиеся объекты, как кажется, сжимаются в пространстве и расширяются во времени. Чем быстрее вы движетесь относительно того, кто находится в состоянии покоя, тем больше сокращается длина вашего тела, в то время как для внешнего мира время, по-видимому, расширяется. Эта картина релятивистской механики пришла на смену старому ньютоновскому представлению о классической механике, но также несёт в себе огромные последствия для теорий, которые не являются релятивистски инвариантными, например, ньютоновской гравитации.
Последний сценарий в теории относительности наводит нас на мысль о том, что было бы неплохо произвести то, что математики называют преобразованием координат. Вы, вероятно, привыкли думать о координатах так же, как это делал Рене Декарт ~400 лет назад: как о сетке, где все направления/размеры перпендикулярны друг другу и имеют одинаковые шкалы длины, одинаково применимые ко всем осям. Возможно, вы даже узнали об этих координатах на уроках математики в школе — их так и называют, декартовы координаты.
Но в физике полезны не только декартовы координаты. Если вы имеете дело с чем-то, что обладает так называемой осевой симметрией (симметрией относительно одной оси), вы можете предпочесть цилиндрические координаты. Если вы имеете дело с чем-то, что одинаково во всех направлениях вокруг центра, возможно, имеет смысл использовать сферические координаты. А если вы имеете дело не только с пространством, но и с пространством-временем, где измерение «время» ведёт себя принципиально иначе, чем измерение «пространство», то вам будет гораздо проще, если вы будете использовать гиперболические координаты для связи пространства и времени друг с другом.
Что замечательно в координатах, так это то, что они представляют собой всего лишь осознанный выбор. Пока вы не меняете физику, лежащую в основе системы, вы абсолютно свободны работать в любой системе координат, которую вы предпочитаете для описания всего, что вы рассматриваете во Вселенной.
Как только вы пересекаете порог образования чёрной дыры, все внутри горизонта событий сжимается до сингулярности, которая имеет не более одного измерения. Никакие трёхмерные структуры не могут сохраниться в ней в целости. Однако одно интересное преобразование координат даёт нам возможность поставить во взаимно однозначное соответствие каждую точка в недрах этой чёрной дыры с точкой снаружи неё. Это даёт математически интересную возможность того, что внутренняя часть каждой чёрной дыры порождает детскую вселенную внутри неё, и возможность того, что сама наша Вселенная могла возникнуть из чёрной дыры в ранее существовавшей вселенной.
Есть очевидный способ попытаться применить это к расширяющейся Вселенной. Обычно мы обращаем внимание на тот факт, что расстояния в связанных системах, таких как атомные ядра, атомы, молекулы, планеты, звёздные системы и галактики, не меняются со временем; мы можем использовать их в качестве «линейки» для измерения расстояний в любой момент времени. Когда мы применяем это к Вселенной в целом, то, видя, как удалённые (несвязанные) галактики удаляются друг от друга, мы делаем вывод, что Вселенная расширяется, и пытаемся определить, как скорость расширения меняется с течением времени.
Так почему бы не сделать очевидную вещь и не поменять эти координаты местами: сохранить расстояния между (несвязанными) галактиками во Вселенной фиксированными, и решить, что наши «линейки» и все остальные связанные структуры просто сжимаются со временем?
Это может показаться несерьёзным выбором, но часто в науке, просто изменив взгляд на проблему, мы можем обнаружить в ней некоторые особенности, которые были неясны в старой перспективе, но становятся ясными в новой. Это заставляет нас задуматься — и это то, что Ломбризер исследует в своей новой работе, — к какому выводу мы пришли бы относительно некоторых из самых больших загадок, если бы приняли эту альтернативную точку зрения?
Этот фрагмент из симуляции формирования структуры с уменьшенным масштабом расширения Вселенной демонстрирует миллиарды лет гравитационного роста во Вселенной, богатой тёмной материей. Обратите внимание, что филаменты и богатые скопления, которые образуются на пересечении филаментов, возникают в основном благодаря тёмной материи; обычная материя играет лишь незначительную роль.
Поэтому вместо стандартного взгляда на космологию вы можете сформулировать свою Вселенную как статичную и нерасширяющуюся, за счёт изменения масс, длин и временных масштабов. Поскольку цель состоит в том, чтобы сохранить структуру Вселенной постоянной, мы отказываемся от расширяющегося и искривлённого пространства с растущими дефектами плотности внутри него, и поэтому эти эволюционные эффекты должны проявляться в другом месте. Масштабы массы должны эволюционировать в пространстве-времени, как и масштабы расстояний и времени. Все они должны были бы эволюционировать вместе именно таким образом, чтобы, когда вы соберёте их вместе для описания Вселенной, они укладывались в противоположность нашей стандартной интерпретации.
В качестве альтернативы можно сохранить постоянными как структуру Вселенной, так и массовые масштабы, масштабы длины и временные масштабы, но за счёт того, что фундаментальные константы в вашей Вселенной будут совместно эволюционировать таким образом, что вся динамика Вселенной будет закодирована в них.
Вы можете попытаться возразить против любой из этих формулировок, поскольку наша традиционная точка зрения имеет более интуитивно понятный смысл. Но, как мы уже говорили, если математика идентична и нет никаких наблюдаемых различий между предсказаниями, которые даёт та или иная точка зрения, то все они имеют равную силу, когда мы пытаемся применить их к Вселенной.
Разнообразие энергетических уровней и правила выбора для переходов электронов в атоме железа. Хотя многими квантовыми системами можно управлять, чтобы добиться чрезвычайно энергоэффективных переходов, биологических систем, работающих подобным образом, не существует.
Хотите объяснить космическое красное смещение? Вы можете сделать это с помощью новой схемы и другим способом. В стандартной картине:
атом претерпевает атомный переход,
испускает фотон определённой длины волны,
этот фотон проходит через расширяющуюся Вселенную, что вызывает его красное смещение по мере прохождения,
а затем, когда наблюдатель принимает его, он уже имеет большую длину волны, чем тот же атомный переход в лаборатории наблюдателя.
Но единственное наблюдение, которое мы можем сделать, происходит в лаборатории: там мы можем измерить наблюдаемую длину волны полученного фотона и сравнить её с длиной волны лабораторного фотона.
Это также может происходить потому, что масса электрона эволюционирует, или потому, что постоянная Планка (ℏ) эволюционирует, или потому, что (безразмерная) константа тонкой структуры (или какая-то другая комбинация констант) эволюционирует. То, что мы измеряем как красное смещение, может быть вызвано множеством различных факторов, и все они неотличимы друг от друга, когда вы измеряете красное смещение далёкого фотона. Стоит отметить, что эта формулировка, если её правильно расширить, даст тот же тип красного смещения и для гравитационных волн.
Когда воздушный шар надувается, любые монеты, приклеенные к его поверхности, будут казаться удаляющимися друг от друга, причём
Точно так же мы можем переформулировать описание роста структуры Вселенной. Обычно, в стандартной картине, мы начинаем с более плотной, чем соседние, области пространства: плотность в этой области лишь немного превышает среднее космическое значение. Затем, с течением времени:
это гравитационное возмущение преимущественно притягивает к себе больше материи, чем окружающие области,
в результате чего пространство в этом регионе расширяется медленнее, чем в среднем по космосу,
и по мере роста плотности, в конце концов, оно пересекает критический порог, вызывая условия, при которых оно гравитационно связано,
и тогда она начинает гравитационно сжиматься, превращаясь в часть космической структуры, такую как звёздное скопление, галактика или даже большая совокупность галактик.
Однако вместо того, чтобы следить за эволюцией космической повышенной плотности или поля плотности в некотором смысле, вы можете заменить её комбинацией эволюции масштабов массы, расстояния и времени. (Аналогично, вместо этого могут эволюционировать постоянная Планка, скорость света и гравитационная постоянная). То, что мы видим как «растущую космическую структуру», может быть результатом не космического роста, а того, что эти параметры фундаментально меняются со временем, оставляя наблюдаемые объекты (например, структуры и их наблюдаемые размеры) неизменными.
Области, рождённые с типичной, или 'нормальной', избыточной плотностью, вырастут и будут иметь богатые структуры, в то время как области с недостаточной плотностью
Если принять этот подход, каким бы непривлекательным он ни казался, можно попытаться по-новому истолковать некоторые из необъяснимых на сегодняшний день свойств, которыми, как кажется, обладает наша Вселенная. Например, существует проблема «космологической постоянной», когда по какой-то причине Вселенная ведёт себя так, как будто она заполнена полем с постоянной плотностью энергии, присущей пространству: плотность энергии, которая не разбавляется и не меняется по мере расширения Вселенной. Когда-то давно это было неважно, а сейчас, похоже, важно только потому, что плотность материи разбавилась ниже определённого критического порога. Мы не знаем, почему пространство должно иметь ненулевую плотность энергии или почему она должна принимать значение, соответствующее наблюдаемой нами тёмной энергии. В стандартной картине это просто необъяснимая загадка.
Однако в новом подходе существует связь между значением космологической постоянной и — если у вас есть шкалы масс и расстояний, изменяющиеся в соответствии с новой формулировкой, — обратной величиной квадрата длины Планка. Конечно, длина Планка меняется по мере эволюции Вселенной в этой новой формулировке, но она эволюционирует необъективно по отношению к наблюдателю: значение, которое мы наблюдаем сейчас, такое просто потому, что сейчас такой момент времени. Если время, масса и длина эволюционируют вместе, то это устраняет т.н. «проблему совпадений» в космологии. Любой наблюдатель будет видеть, что его эффективная космологическая постоянная важна «сейчас», потому что его «сейчас» продолжает эволюционировать вместе с космическим временем.
Иллюстрация того, как плотности излучения (красный), нейтрино (пунктир), материи (синий) и тёмной энергии (пунктир) меняются со временем. В новой модели, предложенной несколько лет назад, тёмная энергия была бы заменена сплошной чёрной кривой, которая до сих пор была неотличима по наблюдениям от предполагаемой тёмной энергии. По состоянию на 2023 год в расширяющейся Вселенной тёмная энергия может отклоняться от
Можно переосмыслить тёмную материю как геометрический эффект сходящегося увеличения массы частиц в ранние времена. Можно переосмыслить тёмную энергию как геометрический эффект, когда массы частиц в поздние времена увеличиваются расходящимся образом. И, что очень интересно, может существовать связь между другим способом реинтерпретации тёмной материи — когда космическое расширение переформулируется как скалярное поле, которое в итоге ведёт себя как известный кандидат в тёмную материю, аксион, — и связями между полем, вызывающим расширение, и материей в нашей Вселенной, что приводит к нарушению CP-инвариантности: одному из ключевых ингредиентов, необходимых для возникновения асимметрии материи и антиматерии в нашей Вселенной.
Подобные размышления над проблемой приводят к ряду интересных потенциальных последствий, и на этой ранней стадии «песочницы» мы не должны препятствовать кому-либо заниматься именно такими математическими исследованиями. Подобные мысли могут когда-нибудь стать частью теоретического фундамента, который выведет нас за пределы устоявшейся стандартной картины космологии.
Однако есть причина, по которой большинство современных космологов, занимающихся физической Вселенной, в которой мы живём, не утруждают себя подобными рассуждениями, интересными с точки зрения чистой Общей теории относительности: хотя эти переформулировки хороши в космических масштабах, они полностью противоречат тому, что мы наблюдаем здесь, на Земле, в лабораториях.
Когда образуется атом водорода, спины электрона и протона с равной вероятностью могут быть выровнены и не выровнены. Если они выровнены, то никаких дальнейших переходов не произойдёт, а если выровнены, то они могут квантово туннелировать в состояние с более низкой энергией, испуская фотон с очень специфической длиной волны (21 см) в очень специфические и довольно длительные временные интервалы. Точность этого перехода была измерена с точностью более 1 части на триллион и не менялась на протяжении многих десятилетий, что ограничивает возможные изменения постоянной Планка, скорости света, массы электрона или их комбинации.
Рассмотрим, например, представление о том, что либо:
изменяются фундаментальные свойства частиц, такие как масса, заряд, длина или длительность,
либо меняются фундаментальные константы, такие как скорость света, постоянная Планка или гравитационная постоянная.
Возраст нашей Вселенной, по наблюдениям, составляет всего 13,8 миллиарда лет. Уже несколько десятилетий мы проводим высокоточные измерения квантовых систем в лабораторных условиях, причём самые точные измерения позволяют выявить свойства материи с точностью до 1,3 части на десять триллионов. Если бы свойства частиц или фундаментальные константы менялись, то менялись бы и наши лабораторные измерения: согласно этим переформулировкам, за ~14 лет (с 2009 года или около того) мы бы заметили изменения в наблюдаемых свойствах этих хорошо измеренных квантов, которые в тысячи раз превышают наши самые строгие ограничения: около 1 части на миллиард.
Например, магнитный момент электрона был измерен с очень высокой точностью в 2007 году и в 2022 году и варьировался менее чем 1 часть на триллион (пределы точности предыдущего измерения), что свидетельствует о том, что постоянная тонкой структуры не изменилась.
Спин-флип переход водорода, который приводит к появлению эмиссионной линии с точной длиной волны 21,10611405416 сантиметров, имеет погрешность всего 1,4 части на триллион и не изменился с тех пор, как был впервые замечен в 1951 году. (Это говорит о том, что постоянная Планка не изменилась.
А эксперимент Эётвёса, в котором измеряется эквивалентность инерционной массы (на которую не влияет гравитационная постоянная) и гравитационной массы (на которую она влияет), показал, что эти два «типа» массы эквивалентны с удивительной точностью до 1 части на квадриллион по состоянию на 2017 год.
Принцип эквивалентности гласит, что не должно быть разницы между гравитационным ускорением и ускорением, обусловленным любой другой силой во Вселенной. Поскольку одно зависит от гравитационной постоянной, а другое — нет, проверка принципа эквивалентности, наиболее точно выполняемая спутником MICROSCOPE с точностью до 1 части в 10^15, является способом ограничения временных вариаций гравитационной постоянной. Принцип эквивалентности, первоначально сформулированный Эйнштейном, был единственной идеей, которую он назвал своей
Это замечательная особенность нашей Вселенной при стандартном взгляде на вещи: те же самые законы физики, которые действуют здесь, на Земле, действуют везде во Вселенной, во всех местах и во все времена на протяжении нашей космической истории. Точка зрения на Вселенную, которая не работает здесь, на Земле, гораздо менее интересна, чем та, которая успешно применяется во всем диапазоне физически интересных систем. Если обычная расширяющаяся Вселенная согласуется с физикой на Земле, а альтернатива ей хорошо описывает большую Вселенную, но не работает здесь, на Земле, мы не можем сказать, что расширяющаяся Вселенная — это мираж. В конце концов, физика здесь, на Земле, — это самый реальный и самый хорошо измеренный и проверенный якорь, который у нас есть для определения того, что на самом деле реально.
Это не значит, что журналы, публикующие подобные спекулятивные исследования — Classical and Quantum Gravity, Journal of High-Energy Physics или Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, — не являются авторитетными и высококачественными; они именно такие и есть. Это просто нишевые журналы: они гораздо больше заинтересованы в подобных исследованиях на ранних стадиях, чем в противостоянии с нашей экспериментальной и наблюдательной реальностью. Во что бы то ни стало продолжайте играть в песочнице и исследовать альтернативы стандартной космологической (и физики частиц) картине реальности. Но не притворяйтесь, что отбросить всю реальность — это приемлемый вариант. Единственный «мираж» здесь — это представление о том, что наша наблюдаемая, измеряемая реальность не особо важна для понимания нашей Вселенной.
