Возможно, Большой взрыв не ознаменовал собой зарождение Вселенной, а стал точкой формирования гравитации в том виде, в котором мы её знаем. Предлагаемая новая модель предполагает существование квантовой формы гравитации, способной инициировать инфляцию и решить проблему сингулярности в космологии – ситуации, когда физические законы утрачивают свою действенность.
Общая теория относительности успешно объясняет движение планет, существование черных дыр и расширение Вселенной. Тем не менее, у нее есть существенное ограничение: при очень высоких энергиях, например, вблизи момента Большого взрыва, она теряет свою точность. Решения уравнений приводят к сингулярности – состоянию, характеризующемуся бесконечной плотностью и искривлением пространства-времени, где привычные физические законы перестают действовать. Это указывает на то, что ОТО, скорее всего, не является завершающей теорией, а представляет собой приближенное описание, справедливое при низких энергиях, к более глубокой и фундаментальной теории.
Квантовая гравитация представляется одним из вероятных претендентов на роль решения. Эта теория предполагает, что при экстремально высоких уровнях энергии классическая гравитация претерпевает изменения, приобретая новые квантовые свойства, обусловленные деформацией пространства-времени. Подобные корректировки уже длительное время изучаются как метод, позволяющий адаптировать гравитацию для работы с высокими энергиями.
Именно эта идея стала основой знаменитой инфляционная модель Старобинского, в ранней Вселенной, предположительно, происходила фаза быстрого расширения. Тем не менее, современные космологические наблюдения все чаще подвергают сомнению эту традиционную модель.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, в качестве альтернативы были предложены более смелые решения. Вместо модификации общей теории относительности, физики высказали предположение, что изначально существовала исключительно квантовая гравитация. И только с течением времени, в процессе охлаждения и расширения Вселенной, теория Эйнштейна «проявилась» как адекватное описание процессов при низких энергиях).
Характеристики данной теории не являются фиксированными и зависят от масштаба: взаимодействие на очень высоких энергиях ослабевает. Этот режим исследователи обозначают асимптотической свободой. Он дает возможность описывать начальные фазы развития Вселенной, избегая математических бесконечностей, свойственных общей теории относительности.
Согласно расчетам, именно такая динамика параметров способна спровоцировать инфляцию — период стремительного расширения Вселенной. Следует подчеркнуть, что теория инфляции в настоящий момент не доказана эмпирическими наблюдениями, в отличие от модели Большого взрыва, которая хорошо подтверждается наблюдениями.
В новой модели изначально пространство пребывает в состоянии близком к стабильному, однако квантовые явления со временем трансформируют его развитие, и начинается стремительное расширение. Этот процесс напоминает постепенное скатывание системы с поверхности, близкой к ровной, где незначительные квантовые изменения, накапливаясь, приводят к изменению эволюции Вселенной.
По завершении периода инфляции развитие событий отклоняется от общепринятого сценария. В рамках обычных космологических моделей поле, вызывающее инфляцию, начинает испытывать колебания и передавать свою энергию частицам, тем самым повышая температуру Вселенной. Однако в новой работе такой процесс не реализуется в привычной форме: система переходит в состояние, где определяющим фактором становится не потенциальная энергия поля, а его динамика — именно она и диктует дальнейшее развитие космоса.
Затем наступает наиболее захватывающий этап. При дальнейшем снижении энергетических показателей теория становится неприменимой в рамках стандартных вычислительных методов. В этой области, как утверждают авторы исследования, квантовая гравитация проявляется в значительной степени и, вероятно, именно здесь возникает гравитация, описанная Эйнштейном. После этого Вселенная переходит к обычному состоянию с высокой температурой, где уже начинают формироваться элементарные частицы, излучение и будущие структуры, такие как галактики.
Заслуживает особого внимания тот факт, что предложенная модель может быть подтверждена экспериментальными данными. Она позволяет сформулировать конкретные прогнозы относительно характеристик реликтового излучения – слабого «эха» ранней Вселенной, регистрируемого космическими телескопами. В частности, речь идет о параметрах, определяющих распределение первичных флуктуаций и гравитационных волн. Таким образом, физики продемонстрировали, что их подход потенциально лучше соответствует современным наблюдениям, чем традиционная модель инфляции, хотя расхождения пока не превышают предел точности существующих измерений.
Данная модель предъявляет специфическое требование: для её работы необходимо наличие значительного количества дополнительных квантовых полей. Это может показаться необычным, однако в рамках некоторых теоретических концепций возможность существования подобных комплексов не отрицается.
Следует учитывать, что обсуждаемая концепция является чисто теоретической гипотезой. Квантовая гравитация на данный момент не имеет прямого экспериментального обоснования, и ни одна из существующих моделей не подтверждена наблюдениями. Таким образом, новое исследование предлагает математически выверенную картину ранней Вселенной, которую потенциально можно будет проверить с помощью будущих космологических наблюдений. Однако, до момента верификации этой модели предстоит пройти значительный путь.