Новое исследование предполагает, что вариация теории квантовой гравитации — объединение квантовой механики и общей теории относительности Эйнштейна — может помочь решить одну из самых больших загадок космологии.
Почти столетие учёным было известно, 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», — рассказал Live Science соавтор исследования П.К. Суреш (P.K. Suresh), профессор физики Хайдарабадского университета в Индии.
Проблема расширения
Расширение Вселенной было впервые обнаружено Эдвином Хабблом (Edwin Hubble) в 1929 году. Его наблюдения с помощью крупнейшего телескопа того времени показали, что удалённые от нас галактики, по-видимому, удаляются с большей скоростью. И хотя Хаббл изначально переоценил скорость расширения, последующие измерения уточнили наше понимание, установив текущий параметр Хаббла как очень надёжный.
Позже, в 20 веке, астрофизики представили новый метод измерения скорости расширения путём изучения космического микроволнового фона, всепроникающего «послесвечения» Большого взрыва.
Однако с этими двумя типами измерений возникла серьёзная проблема. В частности, более новый метод позволил получить значение параметра Хаббла почти на 10% ниже, чем значение, полученное на основе астрономических наблюдений удалённых космических объектов. Такие расхождения между различными измерениями, называемые напряжением Хаббла, сигнализируют о потенциальных недостатках в нашем понимании эволюции Вселенной.
В исследовании, опубликованном в журнале Classical and Quantum Gravity, Суреш и его коллега из Хайдарабадского университета Б. Анупама (B. Anupama) предложили решение, позволяющее согласовать эти разрозненные результаты. Они подчеркнули, что физики выводят параметр Хаббла косвенно, используя эволюционную модель нашей Вселенной, основанную на общей теории относительности Эйнштейна.
Команда выступила за пересмотр этой теории с целью включения квантовых эффектов. Эти эффекты, присущие фундаментальным взаимодействиям, включают случайные флуктуации поля и спонтанное возникновение частиц из космического вакуума.
Несмотря на способность учёных интегрировать квантовые эффекты в теории других областей, квантовая гравитация остаётся неуловимой, что делает детальные расчёты чрезвычайно трудными или даже невозможными. Что ещё 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 всё, но это не мешает нам экспериментально проверять квантовую гравитацию или её эффекты», — сказал Суреш.
Их теоретическое исследование показало, что учёт квантовых эффектов при описании гравитационных взаимодействий на самой ранней стадии расширения Вселенной, называемой космической инфляцией, действительно может изменить предположения теории относительно свойств микроволнового фона в настоящее время, сделав два типа измерений параметров Хаббла согласованными.
Конечно, окончательные выводы можно будет сделать только тогда, когда будет известна полноценная теория квантовой гравитации, но даже предварительные выводы обнадёживают. Более того, по словам команды, связь между космическим микроволновым фоном и квантово-гравитационными эффектами открывает путь к экспериментальному изучению этих эффектов в ближайшем будущем.
«Предполагается, что квантовая гравитация играет определённую роль в динамике ранней Вселенной; таким образом, её эффект можно наблюдать с помощью измерений свойств космического микроволнового фона», — сказал Суреш.
«Некоторые из будущих миссий, посвящённых изучению этого электромагнитного фона, весьма вероятны и многообещающи для проверки квантовой гравитации. … Это даёт многообещающее предложение по разрешению и проверке инфляционных моделей космологии в сочетании с квантовой гравитацией.»
Кроме того, авторы утверждают, что квантово-гравитационные явления в ранней Вселенной, возможно, сформировали свойства гравитационных волн, испускаемых в тот период. Обнаружение этих волн с помощью будущих гравитационно-волновых обсерваторий могло бы ещё больше прояснить квантовые гравитационные характеристики.
«Гравитационные волны от различных астрофизических источников уже наблюдались, но гравитационные волны от ранней Вселенной пока ещё не были обнаружены, — сказал Суреш. — Надеюсь, наша работа поможет определить правильную инфляционную модель и обнаружить первичные гравитационные волны с характеристиками квантовой гравитации.»
