Вариация теории квантовой гравитации — объединения квантовой механики и общей теории относительности Эйнштейна — может помочь решить одну из самых больших загадок в космологии, говорится в новом исследовании.
Уже почти столетие ученые знают, что Вселенная расширяется. Но в последние десятилетия физики обнаружили, что различные типы измерений скорости расширения — так называемого параметра Хаббла — приводят к загадочным несоответствиям.
Чтобы разрешить этот парадокс, в новом исследовании предлагается включить квантовые эффекты в одну из известных теорий, используемых для определения скорости расширения.
«Мы попытались разрешить и объяснить несоответствие между значениями параметра Хаббла, полученными в результате двух различных известных типов наблюдений«, — сообщил Live Science соавтор исследования П.К. Суреш, профессор физики из Университета Хайдарабада в Индии.
Проблема расширения
Впервые расширение Вселенной было обнаружено Эдвином Хабблом в 1929 году. Его наблюдения с помощью самого большого телескопа того времени показали, что галактики, расположенные дальше от нас, удаляются от нас с большей скоростью. Хотя Хаббл изначально переоценил скорость расширения, последующие измерения уточнили наше понимание и установили, что текущий параметр Хаббла является высоконадежным.
Позднее, в XX веке, астрофизики разработали новую методику определения скорости расширения, изучив космический микроволновый фон — всепроникающее «послесвечение» Большого взрыва.
Однако с этими двумя типами измерений возникла серьезная проблема. В частности, новый метод дал значение параметра Хаббла почти на 10 % ниже, чем то, которое было получено в результате астрономических наблюдений за далекими космическими объектами. 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 Университета Хайдарабада Б. Анупама предложили решение для согласования этих несопоставимых результатов. Они подчеркнули, что физики выводят параметр Хаббла косвенным путем, используя эволюционную модель нашей Вселенной, основанную на общей теории относительности Эйнштейна.
Команда исследователей выступила за пересмотр этой теории с учетом квантовых эффектов. Эти эффекты, присущие фундаментальным взаимодействиям, включают в себя случайные флуктуации поля и спонтанное создание частиц из вакуума пространства.
Несмотря на способность ученых интегрировать квантовые эффекты в теории других областей, квантовая гравитация остается неуловимой, что делает детальные расчеты крайне сложными или даже невозможными. Еще хуже то, что экспериментальные исследования этих эффектов требуют достижения температур или энергий, на порядки превышающих те, что достижимы в лабораторных условиях.
Признавая эти трудности, Суреш и Анупама сосредоточились на широких квантово-гравитационных эффектах, характерных для многих предложенных теорий.
«Наше уравнение не обязательно должно учитывать все, но это не помешает нам проверить квантовую гравитацию или ее эффекты экспериментально«, — говорит Суреш.
Теоретическое исследование показало, что учет квантовых эффектов при описании гравитационных взаимодействий на самой ранней стадии расширения Вселенной, называемой космической инфляцией, действительно может изменить предсказания 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 результаты обнадеживают. Более того, связь между космическим микроволновым фоном и квантовыми гравитационными эффектами открывает путь к экспериментальному изучению этих эффектов в ближайшем будущем, говорит команда.
«Предполагается, что квантовая гравитация играет роль в динамике ранней Вселенной, поэтому ее эффект можно наблюдать через измерения свойств космического микроволнового фона«, — сказал Суреш.
«Некоторые из будущих миссий, посвященных изучению этого электромагнитного фона, весьма вероятны и перспективны для проверки квантовой гравитации. … Это дает перспективное предложение для решения и проверки инфляционных моделей космологии в сочетании с квантовой гравитацией«.
Кроме того, авторы предполагают, что квантовые гравитационные явления в ранней Вселенной могли сформировать свойства гравитационных волн, излучаемых в этот период. Обнаружение этих волн с помощью будущих гравитационно-волновых обсерваторий могло бы еще больше прояснить квантово-гравитационные характеристики.
«Гравитационные волны от различных астрофизических источников наблюдались только до сих пор, но гравитационные волны от ранней Вселенной еще не были обнаружены«, — говорит Суреш. «Надеемся, наша работа поможет определить правильную инфляционную модель и обнаружить изначальные гравитационные волны с квантовыми гравитационными характеристиками«.