Вариация теории квантовой гравитации — объединение квантовая механика и Эйнштейна общая теория относительности — может помочь решить одну из самых больших загадок космологии, как показывают новые исследования.
Уже почти столетие ученые знали, что Вселенная расширяется. Но в последние десятилетия физики обнаружили, что различные типы измерений скорости расширения, называемые параметром Хаббла, приводят к загадочным несоответствиям.
Чтобы разрешить этот парадокс, новое исследование предлагает включить квантовые эффекты в одну известную теорию, используемую для определения скорости расширения.
«Мы пытались разрешить и объяснить несоответствие между значениями параметра Хаббла из двух разных известных типов наблюдений», — соавтор исследования. ПК Сурешпрофессор физики Хайдарабадского университета в Индии, рассказал Live Science по электронной почте.
Содержание
Растущая проблема
Расширение Вселенной было впервые обнаружено Эдвином Хабблом в 1929 году. Его наблюдения с помощью крупнейшего телескопа того времени показали, что галактики, находящиеся дальше от нас, удаляются с большей скоростью. Хотя Хаббл изначально переоценил скорость расширения, последующие измерения уточнили наше понимание, установив текущий параметр Хаббла как очень надежный.
Позже, в 20-м веке, астрофизики представили новую технику измерения скорости расширения путем изучения космического микроволнового фона, повсеместного «послесвечения» Большой взрыв.
Однако, возникла серьезная проблема с этими двумя типами измерений. В частности, новый метод дал значение параметра Хаббла почти на 10% ниже, чем то, которое было получено на основе астрономических наблюдений далеких космических объектов. Такие расхождения между различными измерениями, называемые напряжением Хаббла, сигнализируют о потенциальных ошибках в нашем понимании эволюции Вселенной.
Связанный: Новоявленный «сбой» в теории относительности Эйнштейна может переписать правила Вселенной, показывают исследования
В исследовании, опубликованном в журнале Классическая и квантовая гравитацияСуреш и его коллега из Хайдарабадского университета Б. Анупама предложили решение, позволяющее согласовать эти несопоставимые результаты. Они подчеркнули, что физики делают вывод о параметре Хаббла косвенно, используя эволюционную модель нашей Вселенной, основанную на общей теории относительности Эйнштейна.
Команда выступала за пересмотр этой теории с учетом квантовых эффектов. Эти эффекты, присущие фундаментальным взаимодействиям, включают случайные флуктуации поля и спонтанное рождение частиц из космического вакуума.
Несмотря на способность ученых интегрировать квантовые эффекты в теории других полей, квантовая гравитация остается неуловимой, что делает подробные расчеты чрезвычайно трудными или даже невозможными. Что еще хуже, экспериментальные исследования этих эффектов требуют достижения температур или энергий, на много порядков превышающих те, которые достижимы в лаборатории.
Признавая эти проблемы, Суреш и Анупама сосредоточились на широких эффектах квантовой гравитации, общих для многих предложенных теорий.
«Наше уравнение не обязательно должно учитывать все, но это не мешает нам экспериментально проверять квантовую гравитацию или ее эффекты», — сказал Суреш.
Их теоретическое исследование показало, что учет квантовых эффектов при описании гравитационных взаимодействий на самой ранней стадии расширения Вселенной, называемой космической инфляцией, действительно может изменить предсказания теории относительно свойств микроволнового фона в настоящее время, делая два типа параметра Хаббла измерения совпадают.
Конечно, окончательные выводы можно будет сделать только тогда, когда будет известна полноценная теория квантовой гравитации, но даже предварительные результаты обнадеживают. Более того, по словам команды, связь между космическим микроволновым фоном и эффектами квантовой гравитации открывает путь к экспериментальному изучению этих эффектов в ближайшем будущем.
«Предполагается, что квантовая гравитация играет роль в динамике ранней Вселенной; поэтому ее эффект можно наблюдать посредством измерений свойств космического микроволнового фона», — сказал Суреш.
«Некоторые из будущих миссий, посвященных изучению этого электромагнитного фона, весьма вероятны и обещают проверить квантовую гравитацию. … Это дает многообещающее предложение разрешить и подтвердить инфляционные модели космологии в сочетании с квантовой гравитацией».
Кроме того, авторы утверждают, что квантовые гравитационные явления в ранней Вселенной могли повлиять на свойства гравитационных волн, излучаемых в тот период. Обнаружение этих волн с помощью будущих гравитационно-волновых обсерваторий могло бы дополнительно пролить свет на квантовые гравитационные характеристики.
«Гравитационные волны из различных астрофизических источников наблюдались до сих пор, но гравитационные волны из ранней Вселенной еще не были обнаружены», — сказал Суреш. «Надеюсь, наша работа поможет определить правильную инфляционную модель и обнаружить первичные гравитационные волны с особенностями квантовой гравитации».
