В беспрецедентном шаге исследователи создали подробную модель, совместимую с ускоренным расширением Вселенной. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Учёные долгое время пытались согласовать теорию струн с расширяющейся Вселенной.
Введение
В 1998 году астрономы открыли тёмную энергию. Это открытие, изменившее наше представление о космосе, имело малоизвестное последствие: оно внесло коррективы в и без того сложную задачу поиска версии теории струн, описывающей Вселенную, в которой мы живём.
Тёмная энергия — это «положительная» энергия, которая заставляет нашу Вселенную расширяться с ускорением. Но наиболее хорошо изученные модели теории струн описывают вселенные с энергией, которая либо отрицательна, либо равна нулю.
Из всех критических замечаний в адрес теории струн, высказанных за эти годы — например, что она работает только в 10-мерной вселенной, что её фундаментальные составляющие, крошечные струны, слишком малы, чтобы их можно было когда-либо наблюдать, — это, пожалуй, было самым тревожным. Теория струн, казалось, была полезна только для описания вселенной с отрицательной «антиситтеровской» геометрией, тогда как мы живём во вселенной с положительной «ситтеровской» геометрией.
Затем в прошлом году два физика предложили упрощенную, но точную формулу того, как теория струн может привести к возникновению вселенной, подобной нашей — вселенной де Ситтера, подвергающейся ускоренному расширению.
«Это самый первый пример [из теории струн] явного пространства де Ситтера», — сказал Томас Ван Риет из Лёвенского университета в Бельгии.
В новой работе Бруно Бенто и Мигеля Монтеро из Института теоретической физики в Мадриде описывается Вселенная с темной энергией, которая со временем должна ослабевать — результат, совпадающий с предварительными космическими наблюдениями последних нескольких лет.
Но описанная ими Вселенная не совсем похожа на нашу. Хотя изначально они надеялись свести многомерный мир теории струн к нашему четырехмерному миру, в итоге они обнаружили дополнительное измерение. «Они нашли пятимерное решение де Ситтера, а мы не живем в пятимерном мире», — сказал Антонио Падилья из Ноттингемского университета.
Бруно Бенто (слева) и Мигель Монтеро опубликовали работу, связывающую скрытые измерения теории струн с положительной энергией нашей Вселенной.
Тем не менее, ожидается, что эта работа положит начало новой эре в сопоставлении математической элегантности теории струн с реальным миром, в котором мы живем.
«Они открыли новые горизонты для поиска явных решений де Ситтера в теории струн», — сказал Падилья.
Крайний срок
Новая работа была вдохновлена необычной особенностью квантовой теории, впервые предсказанной более 75 лет назад.
В вакууме пространство никогда не бывает полностью пустым. Частицы возникают и исчезают, и крошечные флуктуации вызывают аналогичные процессы в квантовых полях.
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир обнаружил, что в узком пространстве между двумя проводящими пластинами не все квантовые поля могут возникнуть. В этой области длинные волны обрываются. Это приводит к более низкой плотности энергии внутри пластин, чем снаружи. Несоответствие энергий создает силу, которая стремится сдвинуть пластины вместе.
Бенто и Монтеро применили эту линию рассуждений к процессу «компактификации», в котором 10-мерная физика теории струн превращается в четырехмерное пространство, в котором мы обитаем. Основная предпосылка компактификации заключается в том, что дополнительные измерения должны сжиматься и сворачиваться в форму настолько крошечную, что, если бы вы двигались вдоль одного из них, вы бы почти мгновенно вернулись в исходную точку. Точная форма «многообразия», в котором находятся эти дополнительные измерения, определяла бы свойства всех частиц и сил, наблюдаемых в природе.
В новом сценарии пространство, заключенное внутри шестимерного многообразия, заменяет собой пространство между проводящими пластинами Казимира. Внутри многообразия флуктуации аналогичным образом ограничены, что порождает силу, подобную силе Казимира. «В этом их ключевой компонент», — сказал Давид Андрио из Национального центра научных исследований Франции.
Исследователи уравновесили эффект Казимира силой, создаваемой потоком. Потоки — это стандартные элементы в компактификациях теории струн. Они состоят из силовых линий, которые извиваются через дополнительные измерения теории струн. В отличие от силы Казимира, которая стремится уменьшить объем внутренней части многообразия, поток создает противодействующий эффект, который стремится расширить этот объем.
Бенто и Монтеро смогли рассчитать конкретное значение темной энергии, которое оказалось одновременно положительным и малым. Полученное ими значение, 10⁻¹⁵ в планковских единицах, все еще далеко от фактического, еще меньшего значения 10⁻¹²⁰, но, по словам Монтеро, «движется в правильном направлении».
Решение считается явным, пояснил он, что «означает, что мы можем рассказать вам обо всех деталях и о том, как все это взаимосвязано. Мы можем вычислить точное значение темной энергии, близкое к точному результату». И если вы передадите свою модель другим физикам, сказал он, «они смогут вычислить значение любой наблюдаемой величины… с высокой точностью».
Первоначальная идея поиска эффекта, подобного эффекту Казимира, возникла в статье 2021 года Евы Сильверстайн из Стэнфордского университета и двух её коллег. Но с самого начала целью Бенто и Монтеро было найти более простой способ компактификации, чем тот, который использовали предыдущие исследователи.
Ева Сильверстайн, сфотографированная в Стэнфордском университете в 2017 году, является соавтором статьи, которая вдохновила Бенто и Монтеро на разработку решения.
Например, при выборе геометрии для компактных дополнительных измерений они выбрали пространство, напоминающее тор. «Это простая форма», — сказал Бенто. Пончик — это пример двумерного тора; он считается «плоским», потому что его можно получить, свернув плоский лист в трубку и затем скрепив концы. Бенто и Монтеро выбрали формы этого общего типа, называемые шестимерными римановыми плоскими многообразиями, чтобы разместить дополнительные измерения в своей модели. Использование этого шестимерного пространства для компактификации позволило им получить необходимые физические свойства.
В свою очередь, команда Сильверштейна выбрала гораздо более сложную геометрию для работы: гиперболические многообразия с отрицательной кривизной. Это значительно усложнило их вычисления.
Вскоре после публикации статьи Бенто и Монтеро, Джангвидо Далл'Агата и Фабио Цвирнер из Падуанского университета опубликовали свою собственную статью, в которой они использовали аналогичную схему — также включающую риманово-плоские многообразия — для вычисления силы эффекта Казимира и демонстрации того, как его можно использовать для получения темной энергии. «Мы используем разные, но взаимодополняющие методы», — сказал Цвирнер.
Бенто и Монтеро пошли дальше, чем команда из Падуи, по крайней мере, в плане проведения полноценной компактификации струн. Но, как сказал Монтеро, «было хорошо, что эти два подхода совпадали, потому что это обеспечивало хорошую проверку общей идеи».
Доза реальности
Как признают сами авторы, работа Бенто и Монтеро содержит ряд существенных оговорок.
Во-первых, их решение де Ситтера нестабильно; его тёмная энергия, хотя и положительная, со временем будет уменьшаться. Андриот отметил, что такую изменчивую, динамическую тёмную энергию «гораздо легче получить из теории струн», чем тёмную энергию, которая остаётся неизменной — понятие, которое Эйнштейн ввёл в 1917 году как «космологическую постоянную».
В данном случае слово «нестабильный» имеет для физиков особое значение. Оно указывает на то, что период стабильности, или постоянства, темной энергии не должен длиться намного дольше, чем время Хаббла — предполагаемый возраст Вселенной, или около 14 миллиардов лет.
До недавнего времени большинство наблюдений соответствовало представлению о Вселенной, содержащей постоянное количество темной энергии. Однако недавние результаты указывают на то, что темная энергия может меняться. В апреле 2024 года спектроскопический инструмент для изучения темной энергии (Dark Energy Spectroscopic Instrument) представил предварительные доказательства ослабления темной энергии, и это открытие было подтверждено годом позже. «Если эти результаты подтвердятся, они действительно намекают на то, что космологическая постоянная не является постоянной», — сказал Монтеро.
В поисках решения, аналогичного теории де Ситтера, Бенто и Монтеро упростили свою задачу, начав с М-теории (иногда называемой «матерью всех теорий струн»). В то время как большинство версий теории струн требуют наличия шести дополнительных измерений во Вселенной, М-теория требует их семи. Несмотря на большее количество измерений, М-теория содержит меньше компонентов, чем теория струн, поэтому начало с М-теории значительно упростило вычисления Бенто и Монтеро. Но вычитание шести дополнительных измерений, входящих в их многообразие, из 11 общих измерений М-теории оставило теоретиков с пятимерной Вселенной — на одно «D» больше, чем нужно.
Вопрос поиска пятимерного решения в четырехмерной вселенной — это непростая задача, и Бенто и Монтеро считают ее решение первоочередной задачей. «Если мы не сможем найти четырехмерное решение, — сказал Бенто, — наша работа не сможет стать окончательным ответом».
«Я надеюсь, что это сработает, и им удастся заставить это работать в четырех измерениях», — сказал Андриот. Однако он предостерег, что, учитывая множество проблем, с которыми сталкивались теоретики струн в последние несколько десятилетий, он не удивится, если проблема де Ситтера создаст им еще несколько препятствий.
Источник: www.quantamagazine.org
