Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом, когда появилась гравитация в привычном нам виде.
Трое космологов Руолин Лю, Джерон Квинтин и Ниаеш Афшорди предложили новую модель, где гравитация была квантовой и могла запустить инфляцию, избегая проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Общая теория относительности(ОТО) отлично описывает движение планет, черные дыры и расширение Вселенной, но при экстремальных энергиях, как у Большого взрыва, она ломается. Уравнения приводят к гравитационной сингулярности —теоретическому состоянию с бесконечной плотностью и кривизной, где привычные законы физики и математики больше не работают. Это значит, что ОТО, возможно, не окончательная теория, а просто упрощенная версия чего-то более сложного, фундаментального.
Одним из кандидатов на эту роль считается квантовая гравитация. На очень высоких энергиях гравитация меняется, добавляются новые квантовые эффекты, связанные с искривлением пространства-времени. Эти поправки давно пытаются использовать, чтобы описать гравитацию на высоких энергиях.
На этой идее основана инфляционная модель Старобинского, где ранняя Вселенная быстро расширялась. Но новые данные все чаще ставят под сомнение эту классическую версию.
Авторы нового исследования опубликованное на сайте Physical Review Letters предложили более радикальный вариант. Они предположили, что сначала существовала только чистая квантовая гравитация, а позже, по мере охлаждения и расширения Вселенной, появилась теория Эйнштейна как упрощенное описание низких энергий.
Параметры такой теории не постоянные и меняются вместе с энергиями: на сверхвысоких энергиях взаимодействия становятся слабее, это называется асимптотической свободой. Этот режим позволяет описывать ранние этапы Вселенной без математических бесконечностей из ОТО.
Именно такое поведение параметров может естественным образом запускать инфляцию — период быстрого расширения Вселенной. Теория инфляции пока не доказана наблюдениями, в отличие от Большого взрыва, который хорошо подтверждается.
В новой модели пространство сначала почти стабильно, но квантовые эффекты постепенно "сдвигают" его динамику, и космос начинает сильно расширяться. Это похоже на плавное скатывание системы с ровной поверхности, где небольшие квантовые изменения со временем накапливаются и меняют эволюцию Вселенной.
После инфляции сценарий становится менее понятным. В стандартных моделях поле, отвечающее за инфляцию, начинает колебаться и передавать энергию частицам, "разогревая" Вселенную. В новой модели этого не происходит: главную роль играет движение поля, а не его энергия.
Дальше — еще интереснее.
При еще более низких энергиях теория выходит за пределы обычных вычислений. Здесь квантовая гравитация становится сильной, и может возникать привычная гравитация Эйнштейна. После этого Вселенная переходит в стандартную горячую фазу, где формируются элементарные частицы, излучение и галактики.
Особенно круто, что эту модель можно проверить наблюдениями. Она дает предсказания для реликтового излучения — слабого "эха" ранней Вселенной, которое фиксируют космические телескопы. Речь идет о параметрах, описывающих распределение первичных флуктуаций и гравитационных волн. Физики показали, что их сценарий может лучше согласовываться с данными, чем классическая модель инфляции, хотя различия пока на грани точности измерений.
Модель требует необычного условия: существования множества дополнительных квантовых полей. Это звучит экзотично, но теоретически возможно.
Важно понимать, что это пока гипотеза. Квантовая гравитация пока не подтверждена экспериментально, и ни одна из таких моделей не имеет наблюдательных доказательств. Новое исследование предлагает математически стройный сценарий ранней Вселенной, который можно тестировать в будущем. И до проверки этой картины человечеству еще далеко.