Ученые говорят, что Вселенная состоит из крошечных пузырьков, содержащих мини-вселенные (2 фото + 1 видео)
Усложняет этот и сам по себе выносящий мозг вопрос тот факт, что наши лучшие теории противоречат нашим наблюдениям за Вселенной. Альберт Эйнштейн, согласно научным сплетням, чувствовал персональную ответственность за выставление на повестку всей этой проблемы, называя ее своей «самой большой ошибкой».
По сути, вновь возникшая общая теория относительности Эйнштейна не работала, когда она использовалась для описания вселенной в целом. Общая теория относительности описывала «геометрию» пространства-времени как поверхность, похожую на натянутый батут; планеты - это тяжелые шары для боулинга, которые искажают поверхность, создавая изгибы. Если бы менее тяжелый шар (например, мраморный шарик) был помещен рядом с шаром для боулинга, он катился бы по поверхности точно так же, как движутся планеты на орбите. Таким образом, орбиты объясняются не гравитационной «силой», а искривлением в пространстве-времени.
Эта проекция работает при рассмотрении небольших областей пространства-времени. Но когда Эйнштейн применил ее ко всей вселенной, его предсказания не соответствовали факту. Тогда, Эйнштейн ввел «космологическую постоянную», фиксированное значение, которое представляет собой своего рода антигравитацию, антимассу и антиэнергию, противодействующие эффектам гравитации. Но после того, как ученые обнаружили, что Вселенная расширяется, а не статична, как полагал Эйнштейн, космологическая постоянная была «обнулена» и более или менее игнорировалась. Но потом мы узнали, что расширение Вселенной ускоряется, и уже после этого ученым стало невозможно игнорировать антигравитационное предположение Эйнштейна.
То, что раньше считалось пустым пространством во вселенной, теперь должно было быть заполнено огромным количеством таинственной анти-энергии, чтобы объяснить наблюдения за постоянно ускоряющимся расширением вселенной. Несмотря на это, наблюдения за расширением вселенной предполагают, что эта энергия на 60–120 порядков ниже, чем предсказывает относительно новая квантовая теория поля.
Это означает, что вся эта дополнительная энергия почему-то отсутствует, когда мы смотрим на вселенную в целом; либо она эффективно скрыта, либо по своей природе очень отличается от той энергии, о которой мы знаем.
Сегодня физики-теоретики пытаются примирить эти загадки, исследуя структуру так называемого «пространства-времени» во вселенной в наименьшем возможном масштабе, с удивительными догадками: пространство-время может быть не батутоподобной плоскостью, как когда-то предполагали ученые, а это может быть пенистый беспорядок пузырьков, каждый из которых содержит мини-вселенные, живущие и умирающие внутри нашей собственной.
Что такое пена пространства-времени?
Чтобы попытаться разгадать тайну того, что наполняет вселенную, ученые изучают возможность того, что она на самом деле наполнена пузырьками.
В 1955 году влиятельный физик Джон Уилер (John Wheeler) предположил, что на квантовом уровне пространство-время не является постоянным, а «пенистым», состоящим из постоянно меняющихся крошечных пузырьков. Что касается того, из чего эти пузыри «сделаны», недавнее исследование предполагает, что пузыри пространства-времени по существу являются мини-вселенными, в сжатом виде формирующимися внутри нашей собственной.
Предположение о пене пространства-времени прекрасно согласуется с внутренней неопределенностью и недетерминированностью квантового мира. Пространственно-временная пена распространяет квантовую неопределенность в положении и импульсе частицы на саму ткань вселенной, так что ее геометрия не является стабильной, непротиворечивой или фиксированной в микро масштабах.
Физик-теоретик Й. Джек Нг (Y. Jack Ng) из Университета Северной Каролины, Чапел-Хилл, объяснил иллюстрацию идеи Уилера о пене в пространстве-времени, в которой он использовал аналогию с поверхностью океана, следующим образом:
Представьте, что вы летите на самолете над океаном. На больших высотах океан кажется гладким. Но когда вы спускаетесь, то начинает показываться неровность поверхности. Достаточно близко к поверхности океана, вы видите пузыри и пену. Аналогично, пространство-время кажется гладким в больших масштабах; но в достаточно небольших масштабах оно будет выглядеть бурным и пенистым.
Профессор Стивен Карлип (Steven Carlip) из Калифорнийского университета в Дэвисе опубликовал новое исследование, основанное на квантовой теории пены Уилера, чтобы показать, что пузырьки пространства-времени могут «скрывать» космологическую постоянную в большом масштабе.
«Существует так много разных предложений [для решения проблемы космологической постоянной], и хорошим знаком для моего исследования является то, что ни одно из них не очень широко принято», - заявил Карлип в интервью. «Я подумал, что стоит искать подход, который был бы менее специальным, который мог бы исходить из того, что мы знали или подозревали из чего-то еще».
Идея состоит в том, что в этой пространственно-временной пене каждая точка в пространстве-времени имеет огромное количество энергии вакуума - состояния с наименьшей энергией, эквивалентной «пустому пространству» - предсказанного квантовой теорией, но которое ведет себя иначе, чем в других точках. Для любого конкретного способа, которым ведет себя точка в пространстве-времени, в другой точке в пространстве-времени, вероятно, есть точно такая же с противоположным поведением. Это особенность пены пространства-времени, которая «нейтрализует» избыточную энергию и расширение в микроскопических масштабах, что в итоге приводит к снижению энергии, которую мы наблюдаем в масштабе всей вселенной.
Чтобы это работало, нужно предположить, что на квантовом уровне времени не свойственно «направление». Другими словами, нет «стрелы времени» - движения времени в одном единственно возможном направлении. По словам Карлипа, в квантовом мире это не такое уж дикое предположение. «Большинство физиков согласятся, что на фундаментальном уровне мы не знаем, почему вообще есть стрела времени», - сказал он. - «Идея о том, что она как-то «проявляется» только в больших масштабах, существует уже давно».
Карлип называет пространственно-временную пену «сложной микроскопической структурой». Ее почти можно представить себе как расширяющуюся вселенную, образованную крошечными расширяющимися и сжимающимися вселенными в каждой точке пространства-времени. Карлип считает, что, возможно, с течением времени каждая расширяющаяся область пространства-времени производит сложную структуру, и они сами заполнены крошечными вселенными в каждой точке.
Другое новое исследование, опубликованная в августе 2019 года, более подробно исследует этот сценарий. Авторы Цинди Ван (Qingdi Wang) и Уильям Дж. Унру (William G. Unruh) из Университета Британской Колумбии (University of British Columbia) предполагают, что каждая точка в пространстве-времени циклически изменяется и расширяется, подобно крошечным версиям нашей вселенной. Они говорят, что каждая точка в пространстве-времени - это «микроциклическая вселенная», бесконечно движущаяся от сингулярности к Большому взрыву и, наконец, разрушающаяся снова и снова.
Самые маленькие компьютеры во вселенной и Теория всего
Идея квантовой пены дает нечто большее, чем только решение проблемы космологической постоянной, но и решает другие загадки в физике, таких как черные дыры, квантовые компьютеры и темная энергия.
В статье Джека Нг (Y. Jack Ng) предполагается, что пена пространства-времени является ключом к окончательному объединению и объяснению феномена как в квантовом, так и в космологическом масштабе, что ведет нас к неуловимой Теории Всего. Такая теория объясняет области физики, которые в настоящее время независимы, а порой и противоречивы, в рамках единой системы.
Как и Карлип, Нг также получает большое значение для положительной космологической постоянной, используя модель пузырьков пространства-времени. Но для этого он рассматривает «пузыри» в квантовой пене как крошечные компьютеры вселенной, кодирующие и обрабатывающие информацию.
Помните: квантовая пена содержит пузырьки неопределенности в пространстве и времени. Чтобы измерить «пузырящее» пространство-время, Нг предлагает провести мысленный эксперимент с участием часов, сгруппированных в сферический объем пространства-времени, которые передают и принимают световые сигналы, и измеряют время, которое требуется для получения сигналов.
«Этот процесс отображения геометрии является своего рода вычислением, при котором расстояния измеряются путем передачи и обработки информации», - написал он в своей статье.
Используя другие известные связи между энергией и квантовыми вычислениями и ограничение массы внутри сферы, чтобы избежать образования черной дыры, Нг утверждает, что неопределённость, присущая вселенной квантового масштаба и которая задает насколько точно (или неточно) мы можем измерить геометрию пространства-времени, также ограничивает максимальное количество информации, которую могут хранить эти пузырьковые компьютеры, и их вычислительную мощность.
Расширяя этот результат для всей вселенной, а не для изолированного объема пространства-времени, Нг показывает, что пена пространства-времени эквивалентна темной энергии и темной материи, поскольку обычная материя не способна хранить и вычислять максимальное количество информации, которую он извлекает из цели измерения.
«Существование пены пространства-времени, с помощью термодинамических соображений, по-видимому, подразумевает сосуществование темного сектора (в дополнение к обычному веществу)», - говорит Нг. «Это направление исследований не распространено в физическом сообществе, но оно имеет (физический) смысл для меня».
Ключевой вывод из работы Нг заключается в следующем: не только можно измерить и исследовать пространственно-временную пену концептуально, но она также может объяснить ускорение Вселенной путем соединения квантовой физики, общей теории относительности и темной энергии. Нг считает, что Теория Всего теперь вполне достижима.
«В конечном счете, что я хотел бы исследовать и, что даже более важно, что я хотел бы побудить исследовать других, так это выйти за рамки рассмотрения пены пространства-времени и посмотреть, являются ли квантовая механика и гравитация возникающими явлениями, и является ли термодинамика (чей главный герой энтропия) ключами к пониманию законов природы», - говорит Нг.