Сегодня в теоретической физике стало очень модно обращаться к математике как к потенциальному пути к еще более фундаментальной теории реальности. За прошедшие годы был опробован ряд математических подходов:
наложение дополнительных симметрий,
добавление дополнительных размерностей,
добавление новых полей в общую теорию относительности,
добавление новых полей в квантовую теорию,
использование более крупных групп (из математической теории групп) для расширения Стандартной модели.
Эти математические исследования интересны и потенциально актуальны для физики: они могут содержать ключи к разгадке того, какие секреты может хранить Вселенная помимо тех, что известны в настоящее время. Но одна математика не может научить нас, как устроена Вселенная. Мы не получим окончательных ответов, не сопоставив предсказания с физической Вселенной.
В некотором смысле это урок, который усваивает каждый студент-физик, впервые вычисляя траекторию объекта, брошенного в воздух. Как далеко он полетит? Где приземлится? Как долго находится в воздухе? Когда вы решаете математические уравнения - уравнения движения Ньютона, - которые управляют этими объектами, вы не получаете единственного "ответа". Вы получите два ответа; вот, что дает вам математика. Но на самом деле объект только один. Он следует только по одной траектории, приземляясь в одном месте в определенное время. Какой ответ соответствует действительности? Математика вам не скажет. Для этого необходимо понять особенности рассматриваемой физической проблемы, так как только это скажет вам, какой ответ имеет физический смысл. Математика уведет вас очень далеко в этом мире, но не даст вам всего. Без сопоставления с реальностью вы не можете надеяться понять физическую Вселенную.
Странные глыбы "инфлатонов" могут быть самыми первыми сооружениями во Вселенной
Мара Джонсон-Гро
Рисунок Инфлатон
Здесь показано одно из плотных скоплений инфлатонов, которые возникли во время фазы инфляции в младенческой вселенной.
Моделирование со сверхвысоким разрешением крошечного кусочка Вселенной - в миллион раз меньше протона - выявило самые первые структуры, которые когда-либо существовали. И эти плотные структуры - странные. Первые триллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная была местом, нагретым до триллиона градусов. Хотя ученые не могут напрямую наблюдать этот момент времени, они могут реконструировать его с помощью мощного компьютерного моделирования. Новое моделирование, более подробное, чем когда-либо прежде, показало, как в эти первые доли секунды гравитация заставляла слипаться квантовые частицы, известные как инфлатоны. Результаты впервые показали, как эти комки материи затем образовывали сложные и плотные структуры с массой от нескольких граммов до 20 килограммов - тяжелее почтовой марки, но легче бульдога, - упакованные в пространстве, занимавшем объем меньше элементарной частицы. Моделирование показывает достаточно деталей, чтобы ученые могли расшифровать диапазон размеров и форм первоначальных структур во Вселенной.
Кроме того, "результаты соответствуют простой теоретической модели, которой почти 40 лет", - сказал соавтор исследования Ричард Истер, профессор физики в Оклендском университете. - Мы открыли эту невероятно сложную фазу в очень ранней Вселенной, которую только начинаем правильно понимать".
Модели описывали состояние Вселенной сразу после окончания инфляции, периода, когда Вселенная резко увеличивалась в размерах. В то время Вселенная содержала только энергию и инфлатоны - квантовую материю, сформировавшуюся из энергетического поля, заполнившего все пространство после Большого взрыва.
Рисунок Инфлатон2
Между начальным и конечным состояниями (вверху слева и справа соответственно) область Вселенной увеличилась в 10 миллионов раз по сравнению с начальным объемом, но все же была во много раз меньше, чем внутреннее пространство протона. Увеличенный комок в нижнем левом углу имел бы массу около 20 килограммов.
Физики считают, что структуры инфлатона, видимые в симуляциях, возникли в результате флуктуаций энергетического поля сразу после Большого взрыва. Это же поле, вероятно, создало крупномасштабные галактические структуры размером в миллиарды световых лет, видимые сегодня во Вселенной. Плотные заполненные инфлатоном структуры, наблюдаемые при моделировании, вероятно, просуществовали недолго, поскольку за доли секунды превратились в элементарные частицы. Но из-за высокой плотности - в 100000 раз больше плотности окружающего пространства - их движения и взаимодействия могли вызвать рябь в ткани пространства-времени, называемую гравитационными волнами.