Несколько миллиардов лет назад, в эпоху вскоре после Большого взрыва, Вселенная была настолько плотной и горячей, что элементарные частицы сильно ощущали существование гравитации. На протяжении десятилетий физики всего мира пытались открыть законы квантовой гравитации, описывающие эту фазу эволюции Вселенной.
Недавно группа профессора Ежи Левандовского на физическом факультете Варшавского университета (FUW) предложила свою собственную модель квантовой Вселенной. Недавние исследования его свойств, обсуждавшиеся на 20-й Международной конференции по общей теории относительности и гравитации (GR20), проходящей в Варшаве в связи с 10-й конференцией Эдоардо Амальди по гравитационным волнам (Amaldi10), удивили исследователей. Анализ, проведенный профессором Левандовски и его аспирантом Андреа Дапор, показывает, что разные элементарные частицы «переживают» существование разного пространства-времени.
Одна из попыток описания квантовой гравитации называется петлевой квантовой гравитацией (LQG). Эта теория предполагает, что пространство-время структурно несколько похоже на ткань: оно состоит из большого количества очень маленьких волокон, запутанных в петли. Поле площадью в один квадратный сантиметр может содержать миллион триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов (10 ^ 66) таких волокон.
Три года назад группа профессора Левандовски разработала последовательную математическую модель LQG, которая сочетает квантовую механику с общей теорией относительности. Модель предполагает наличие двух взаимодействующих полей. Первое — это гравитационное поле, которое можно отождествить с пространством (поскольку, согласно общей теории относительности, гравитация искривляет пространство-время, и это искривленное пространство-время вызывает гравитационные эффекты).
Второе поле модели — это (скалярное) поле, которое присваивает номер каждой точке в пространстве. Это поле интерпретируется как простейший тип материи.
Образ реальности в модели, предложенной физиками Варшавского университета, является квантовым, поэтому его характеристики сильно отличаются от тех, с которыми мы сталкиваемся каждый день. «В этой ситуации казалось естественным спросить: как пространство-время, известное всем нам, возникает из первичных состояний квантовой гравитации? гравитации, можем ли мы быть уверены, что каждый тип материи определенно взаимодействует с пространством-временем, обладающим такими же свойствами? », — говорит профессор Левандовски.Чтобы найти ответы на эти вопросы, теоретики впервые вывели закономерности взаимодействия между эффектами квантовой гравитации и материей для двух простейших с математической точки зрения случаев: для частиц с нулевой массой покоя и для простых (скалярных) частиц с ненулевой массой покоя. В Стандартной модели, которая в современной физике описывает элементарные частицы и их взаимодействия, соответствующими безмассовыми частицами будут фотоны, а скалярные частицы с массой покоя с ненулевой массой — знаменитый бозон Хиггса, ответственный за массу других частиц. : кварки и электроны, мюоны, тау и связанные с ними нейтрино.
После вывода уравнений, описывающих поведение частиц в соответствии с законами модели квантовой гравитации, физики FUW начали проверять, можно ли получить аналогичные уравнения с использованием обычного пространства-времени с различными симметриями. Для безмассовых частиц это оказалось возможным. Искомое пространство-время было изотропным, то есть имело одинаковые свойства во всех направлениях.
«Согласно исследованной нами упрощенной модели, независимо от того, имеет ли фотон больший импульс или меньше, больше энергии или меньше, пространство-время кажется ему одинаковым во всех направлениях», — объясняет профессор Левандовски.Для частиц с массой ситуация была иной.
Существование массы накладывает на теорию особое дополнительное условие. Физики FUW показали, что классическое пространство-время, которое одновременно удовлетворяло бы условию массы и обладало бы одинаковыми свойствами во всех направлениях, не может быть построено. Соответствующее пространство-время можно было найти только среди анизотропного пространства-времени.
Предпочтительным направлением этого пространства-времени было направление движения частицы.«Частицы с массой не только испытывают пространство-время, отличное от фотонов, но каждая видит свою собственную частную версию пространства-времени в зависимости от направления, в котором она движется. Это открытие действительно застало нас врасплох», — говорит аспирант Андреа Дапор.Означает ли это последнее открытие, что Вселенная частиц с массой не изотропна?
Такое утверждение имело бы огромное экспериментальное и наблюдательное значение. Однако ответ — нет, у Вселенной нет предпочтительного направления. Как наблюдатели, изучающие поведение элементарных частиц, мы являемся скорее классическими, чем квантовыми системами, и в некотором смысле мы «вне» мира частиц. Тогда неважно, что каждая частица «испытывает» в своем пространстве-времени.
Независимо от направления полета, все частицы, зарегистрированные в лаборатории, будут иметь точно такие же характеристики. По этой причине экспериментальное подтверждение теоретических предсказаний команды FUW будет нетривиальной задачей.
Работа команды профессора Левандовски финансировалась за счет грантов Министерства науки и высшего образования Польши и Польского национального научного центра.