5K
Как образовалась Вселенная? Что было до Большого взрыва? Космологи задают эти вопросы с того момента, когда стало ясно, что наша Вселенная расширяется. Ответы найти не так легко. Начало космоса замаскировано и скрыто от взгляда самых мощных телескопов.
Новое исследование предлагает нестандартный способ зондирования начала пространства и времени, который позволит определить, какая из конкурирующих теорий верна.
Наиболее широко принят теоретический сценарий начала Вселенной, при котором Вселенная расширялась в геометрической прогрессии в первые мимолетные доли секунды. Однако был предложен ряд альтернативных сценариев, некоторые из которых прогнозируют большой кризис, предшествующий Большому взрыву.
Одним из важнейших источников информации о Вселенной является наличие космического микроволнового фона — остаточного свечения Большого взрыва, которое пронизывает все пространство. Это излучение кажется равномерным, но при ближайшем рассмотрении все же варьируется в небольшом диапазоне. Эти отклонения произошли из-за квантовых флуктуаций, присутствующих с момента рождения Вселенной.Традиционным подходом для выделения различных сценариев является поиск возможных следов гравитационных волн, образовавшихся в ранней Вселенной. «Сейчас мы предлагаем новый подход, который может позволить нам напрямую выявить эволюционную историю Вселенной с помощью астрофизических сигналов. Космический микроволновой фон уникален для каждого из предложенных сценариев развития Вселенной», — говорит соавтор исследования Ксинганг Чен из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CFA) и Университета штата Техас в Далласе.
Хотя предыдущие экспериментальные и теоретические исследования дают возможность понять пространственные вариации в изначальной Вселенной, они не имеют ключевого элемента – времени. Без «тикающих часов», измеряющих ход времени, история эволюции первозданной Вселенной не может быть определена однозначно. «Представьте, что вы взяли кадры из фильма и положили их в случайном порядке друг за другом. Если на эти кадры не нанесен хронометраж, разместить их по порядку будет почти невозможно. Если вы не знаете, что является началом пленки, а что концом, вы можете и не заметить разницу», — объясняет Чен.
Это новое исследование предполагает, что такие «часы» существуют, и могут быть использованы для измерения прохождения времени с момента рождения Вселенной. Эти часы приобретают форму тяжелых частиц, которые являются ожидаемым продуктом «Теории всего», которая объединяет квантовую механику и общую теорию относительности. Их называют «примордиальными стандартными часами».
Тяжелые субатомные частицы будут вести себя как маятник, колеблющийся назад и вперед универсальным и стандартным способом. Кроме этого, такое квантово-механическое движение может не иметь первоначального толчка. Эти колебания действуют как часы, в нашей аналогии устанавливающие метки в стек кадров фильма.
«Тиканье этих примордиальных стандартных часов как бы создает соответствующие колебания измерений космического микроволнового фона, который уникален для каждого сценария. Точные измерения позволят определить, какая из теорий максимально близка к истине. Тем не менее, текущие данные недостаточно точны, чтобы определить такие мелкие вариации», — говорит соавтор Йи Ванг из Гонконгского университета науки и технологий.
Опыты должны значительно прояснить ситуацию. Эксперименты по поиску гравитационных волн, проводимые по всему миру, также позволят собрать точные данные о космическом микроволновом фоне. Если колебания примордиальных стандартных часов достаточно устойчивы, эксперименты обнаружат их в следующем десятилетии. Доказательства могут поступить и из других направлений исследования космоса, в том числе в ходе составления карты крупномасштабной структуры Вселенной, включающей галактики и космический водород.Поскольку примордиальные стандартные часы будут одним из компонентов «Теории всего», их точное определение станет источником данных для физики за пределами Стандартной модели элементарных частиц.