Среда, 11 декабря 2013 13:29

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 пространства к разбегающейся Вселенной, обладающей массой. 

Кроме всего прочего, их расчеты показали любопытную связь между квантовой теорией поля и теорией относительности Эйнштейна.

Рецепт приготовления Вселенной: подогрейте пространство-время

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.

Дополнительная информация

Прочитано 5756 раз
Авторизуйтесь, чтобы получить возможность оставлять комментарии

Premium Joomla Templates