Рецепт приготовления Вселенной: подогрейте пространство-время
Если нагреть воду с овощами, начинает вариться суп. Если нагреть время и пространство, рождается расширяющаяся Вселенная - безо всякой нужды в Большом взрыве. Ученые из Венского технологического университета математически описали фазовый переход от скучного пустого пространствак разбегающейся Вселенной, обладающей массой. Кроме всего прочего, их расчеты показали любопытную связь между квантовой теорией поля и теорией относительности Эйнштейна.
Рецепт пространства-времени
Все знают о переходе между жидким, твердым и газообразным состоянием. Но, как показали в 1983 году Стивен Хокинг (Steven Hawking) и Дон Пэйдж (Don Page), время и пространство также способны на фазовый переход. По их расчетам, пустое пространство при определенной температурой может превратиться в черную дыру.
Может ли аналогичный процесс объяснить появление нашей Вселенной? Именно этот вопрос исследовал Даниэль Грумиллер (Daniel Grumiller) и его заокеанские коллеги. Согласно их подсчетам, есть критическая температура, при которой пустое и плоское пространство-время превращается в расширяющуюся Вселенную. "Пустое пространство-время закипает, образуются маленькие пузырьки, и один из них расширяется и со временем захватывает всё пространство-время", - объясняет Грумиллер.
Чтобы такой процесс был возможен, Вселенная должна вертеться - так что "рецепт" ее приготовления должен звучать так: "нагрейте и взболтайте". Однако необходимое вращение не должно быть очень сильным. На первом этапе ученые рассмотрели всего два измерения пространства. "Но нет никаких причин считать, что те же выводы не применимы к трехмерной вселенной", - говорит Грумиллер.
В поисках структуры Вселенной
Однако наш мир, кажется, возник не таким путем. Модель фазового перехода не призвана развенчать теорию Большого взрыва. "Космологи узнали многое о ранней Вселенной, и мы вовсе не ставим их выводы под вопрос. Нас интересует другое - какие фазовы переходы в принципе возможны для времени и пространства? Как описать математическую структуру пространства-времени?", - говорит Грумиллер.
Эта новая теория - логическое следствие соответствия анти-де-Ситтеровского пространства и конформной теории поля, т.н. AdS/CFT-соответствия, предложенного Хуаном Малдасеной (Juan Maldasena) в 1997 году. Это соответствие связывает гравитационную физику с квантовой теорией поля - две области, между которыми, на первый взгляд, немного общего. В некоторых предельных случаях положения квантовых теорий могут быть переведены в положения относительно теорий гравитации, и наоборот. Это звучит так же фантастически, как делать физические высказывания относительно падающего на землю камня исходя из расчетов температуры горячего газа. Но AdS/CFT-соответствие, тем не менее, работает.
Тогда квантовая теория поля всегда описывает на одно измерение меньше, чем теория гравитации. Это так называемый "голографический приницип": подобно тому, как двухмерная диаграмма изображает трехмерный объект, квантовая теория поля с двумя измерениями пространства описывает физическую ситуацию в трех измерениях.
Принцип соответствия для плоских пространств-времен
Для этого расчёты тяготения должны производится в весьма экзотической геометрии, очень отличающейся от нашей - так называемых "анти-де-Ситтеровских пространствах". Ученые давно подозревали, что для плоского пространства-времени действует свой "голографический принцип".
Одну из первых демонстрирующих это моделей построил в прошлом году Грумиллер (в двух измерениях пространства - для простоты). Так и возник вопрос нынешнего исследования. В квантовой теории поля фазовые переходы описаны достаточно хорошо. Но, из соображений симметрии, теории гравитации тоже должны демонстрировать фазовые переходы!
"Сначала это было для нас тайной. Фазовый переход от пустого пространства-времени к расширяющайся Вселенной - неправдоподобно! Однако наши расчеты показали именно это", - рассказывает ученый. "Мы только начинаем понимать эти поразительные отношения соответствия". Какие новые идеи относительно устройства нашей Вселенной они принесут - покажет только пространство-время.
Новая модель представлена в журнале препринтов arXiv.
По материалам пресс-релиза университета.
Артём Космарский nauka21vek.ru