Учёные утверждают, что нашли первое наблюдательное доказательство, подтверждающее теорию струн

Физики утверждают, что, возможно, нашли долгожданное объяснение тёмной энергии — таинственной силы, которая движет ускоренным расширением Вселенной, — так говорится в новом исследовании, препринт которого был опубликован недавно.

Их расчёты показывают, что на самых малых масштабах пространство-время ведёт себя глубоко квантовым образом, резко отличаясь от гладкой, непрерывной структуры, которую мы наблюдаем в повседневной жизни. Согласно их выводам, координаты пространства-времени не «коммутируют» — это означает, что порядок их появления в уравнениях влияет на результат. Это похоже на то, как ведут себя положение и скорость частицы в квантовой механике.

Одним из самых поразительных последствий такого квантового пространства-времени, предсказанного теорией струн, является то, что оно естественным образом приводит к космическому расширению. Более того, исследователи обнаружили, что скорость, с которой это ускорение уменьшается с течением времени, удивительно хорошо согласуется с последними наблюдениями, полученными с помощью спектроскопического прибора тёмной энергии (DESI).

«Если посмотреть на результат DESI через призму нашей работы, то можно считать его первым наблюдательным свидетельством, подтверждающим теорию струн, и, возможно, первым наблюдаемым следствием теории струн и квантовой гравитации», — сказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Майкл Кавич, профессор университета SUNY Old Westbury.

Тайна расширения Вселенной

В 1998 году две независимые группы — проект «Космология сверхновых» и группа поиска сверхновых High-Z — обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, как считалось ранее, а наоборот, ускоряется. К такому выводу они пришли, изучая далёкие сверхновые, которые оказались тусклее, чем ожидалось. Это ускорение предполагало наличие таинственной сущности, пронизывающей пространство, которую позже окрестили тёмной энергией.

Однако происхождение тёмной энергии до сих пор остаётся неуловимым. Согласно популярной гипотезе, она возникает из-за квантовых флуктуаций в вакууме, аналогичных тем, что наблюдаются в электромагнитном поле. Однако, когда физики попытались рассчитать скорость расширения на основе этой идеи, они получили значение, которое было на 120 порядков больше наблюдаемого, что является ошеломляющим расхождением.

Недавние наблюдения DESI ещё больше усложнили картину. Согласно Стандартной модели элементарных частиц, если бы тёмная энергия была просто энергией вакуума, её плотность должна была бы оставаться постоянной с течением времени. Однако данные DESI показывают, что скорость ускорения не постоянна, а уменьшается со временем — то, что Стандартная модель не предсказывает.

Разгадка тайны с помощью теории струн

Чтобы разобраться с этими несоответствиями, исследователи обратились к теории струн — одному из ведущих кандидатов на создание квантовой теории гравитации. В отличие от Стандартной модели, в которой элементарные частицы рассматриваются как точечные, теория струн предполагает, что на самом деле они представляют собой крошечные, вибрирующие, одномерные объекты, называемые струнами. Эти струны, в зависимости от их режимов вибрации, порождают различные частицы — в том числе гравитон, гипотетический квантовый носитель гравитации.

В новой работе, которая была опубликована в базе данных препринтов arXiv, но не прошла рецензирование, физики Сунхенг Хур, Джордже Минич, Тацу Такеучи (Вирджинский политехнический институт и университет штата), Вишну Джеджала (Витватерсрандский университет) и Майкл Кавич применили теорию струн для анализа пространства-времени на квантовом уровне.

Заменив описание частиц в Стандартной модели на основы теории струн, исследователи обнаружили, что пространство-время само по себе является квантовым и некоммутативным, то есть порядок появления координат в уравнениях имеет значение.

Этот радикальный отход от классической физики позволил им вывести свойства тёмной энергии не просто из экспериментальных данных, а непосредственно из фундаментальной физической теории. Их модель не только дала плотность тёмной энергии, близко соответствующую данным наблюдений, но и правильно предсказала, что эта энергия должна уменьшаться со временем, что согласуется с выводами DESI.

Один из самых поразительных аспектов их результатов заключается в том, что величина тёмной энергии зависит от двух совершенно разных масштабов длины: длины Планка, фундаментального масштаба квантовой гравитации, который составляет около 10^-33 сантиметров, и размера Вселенной, который составляет миллиарды световых лет. Такая связь между самыми маленькими и самыми большими масштабами космоса весьма необычна для физики и позволяет предположить, что тёмная энергия глубоко связана с квантовой природой самого пространства-времени.

«Это намекает на более глубокую связь между квантовой гравитацией и динамическими свойствами природы, которые считались постоянными, — говорит Кавич. — Может оказаться, что фундаментальное заблуждение, к которому мы привыкли, заключается в том, что основные определяющие свойства нашей Вселенной статичны, в то время как на самом деле это не так».

Экспериментальные проверки и будущие перспективы

Хотя предложенное командой объяснение ускоренного расширения Вселенной является значительным теоретическим прорывом, для подтверждения их модели необходимы независимые экспериментальные проверки. Исследователи предложили конкретные способы проверки своих идей.

Одна из линий доказательств «включает в себя обнаружение сложных квантовых интерференционных паттернов, что невозможно в стандартной квантовой физике, но должно происходить в квантовой гравитации», — добавил Минич.

Интерференция возникает, когда волны, например световые или волны материи, накладываются друг на друга и либо усиливают, либо отменяют друг друга, создавая характерные картины. В обычной квантовой механике интерференция подчиняется хорошо понятным правилам и обычно включает в себя два или более возможных квантовых путей. Однако интерференция более высокого порядка, предсказываемая некоторыми моделями квантовой гравитации, предполагает более сложные взаимодействия, выходящие за рамки этих стандартных закономерностей. Обнаружение таких эффектов в лаборатории стало бы подтверждением верности теории квантовой гравитации.

«Это настольные эксперименты, которые получится провести в ближайшем будущем — в течение трёх-четырёх лет».

«Наш подход к квантовой гравитации имеет множество последствий», — сказал Джордже Минич, физик из Вирджинского технологического института и соавтор работы, в своём электронном письме. Одна из линий доказательств «включает обнаружение сложных квантовых интерференционных паттернов, что невозможно в стандартной квантовой физике, но должно происходить в квантовой гравитации», — добавил Минич.

Тем временем исследователи не ждут экспериментальных подтверждений. Они продолжают совершенствовать своё понимание квантового пространства-времени, а также изучают дополнительные возможности для проверки своей теории.

Если их выводы подтвердятся, это станет большим прорывом не только в объяснении тёмной энергии, но и первым ощутимым доказательством теории струн — цели, которую давно стремятся достичь в фундаментальной физике.