Вселенная, которую мы наблюдаем сегодня, возникла в результате целого ряда событий, произошедших задолго до появления первых звезд. Ученые исследуют, каким образом незначительные квантовые колебания способствовали превращению почти однородной космической среды в ту картину, богатую галактиками, которую мы видим сейчас.
В статье, опубликованной в издании The Conversation, Рут Ласкоз, профессор теоретической физики из Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea, объясняет, что период, предшествовавший горячему Большому взрыву, содержит важные подсказки относительно происхождения космических структур.
Концепция абсолютно пустого пространства противоречит принципам квантовой механики. Даже так называемый вакуум обладал небольшими энергетическими вариациями, которые могли повлиять на раннюю эволюцию Вселенной. До фазы горячего Большого взрыва космос состоял из первичной плазмы, где частицы постоянно взаимодействовали. По мере расширения пространства эти взаимодействия ослабевали, и некоторые частицы начали двигаться свободно.
Одним из значимых моментов стало расцепление нейтрино, произошедшее примерно через секунду после начала расширения. Эти элементы продолжают изучаться, поскольку они могут помочь объяснить одну из фундаментальных проблем физики: почему в Вселенной содержится значительно больше материи, чем антиматерии. Другой важный этап наступил приблизительно через 380 тысяч лет, когда фотоны смогли пройти сквозь плазму без препятствий. Этот древний свет сегодня наблюдается в виде реликтового микроволнового излучения.
До горячего Большого взрыва Вселенная, предположительно, прошла через фазу чрезвычайно быстрого расширения, известную как инфляция. Хотя этот период длился лишь долю секунды, он оказался решающим для упорядочивания космоса. Во время этого расширения крошечные квантовые флуктуации были увеличены и перестали быть микроскопическими явлениями. Они трансформировались в различия плотности, которые под действием гравитации породили структуры, знакомые нам.
Среди последствий этих флуктуаций можно выделить: создание областей с повышенной концентрацией материи; формирование первых гравитационных центров притяжения; развитие звезд и галактик; а также появление крупномасштабных структур Вселенной.
Эти незначительные неоднородности не исчезли полностью. Они оставили следы в реликтовом излучении, которое считается своего рода «ископаемым» из самых ранних моментов существования Вселенной. Существование флуктуаций, вызванных квантовой случайностью, представляет собой минимальное условие для возникновения любой структуры в больших масштабах.
Исследовательница подчеркивает, что понимание этой начальной фазы является попыткой выяснить, как различные силы природы совместно работали над формированием нынешней Вселенной. Несмотря на то, что пока отсутствует теория, способная полностью объединить гравитацию и квантовую физику, изучение этих древних следов позволяет ученым воссоздать одну из самых захватывающих историй науки: как крошечные невидимые колебания дали начало огромному космосу, который мы наблюдаем сегодня.
Физик смог экспериментально наблюдать возникновение времени из полностью изолированной квантовой системы, построив так называемую «минивселенную». Этот эксперимент затрагивает фундаментальный вопрос о том, как может существовать время, если у Вселенной нет внешних опор.
Джованни Баронтини, физик-экспериментатор из Бирмингемского университета, опубликовал новое исследование 11 июня в журнале Physical Review Research. Для проведения этого уникального эксперимента он использовал облако чрезвычайно холодного атома для настройки своей минивселенной. Система была изолирована таким образом, что, подобно Вселенной, не было внешнего элемента, который мог бы служить временной отсылкой.
Баронтини разделил систему на две части и решил пренебречь одной из них, назвав ее «темным сектором», чтобы доказать, что время может возникать полностью внутри самой системы. Результаты представляют собой первый практический анализ того, почему Вселенная обладает временным измерением.
Эта работа исследует дилемму, которая увлекает физическое сообщество почти шесть десятилетий. Уравнение Уилера-Девитта, центральный элемент квантовой гравитации — области, посвященной согласованию теории гравитации Эйнштейна с квантовой механикой, — моделирует Вселенную как замкнутую систему без какого-либо внешнего параметра времени. Это поднимает вопрос о происхождении нашего восприятия времени.
Теория реляционного времени предполагает, что время не является первичным свойством реальности, а скорее чем-то, что возникает из внутренних взаимодействий Вселенной, где одна часть системы функционирует как часы для другой. Однако эта гипотеза никогда не проверялась напрямую в лабораторных условиях.
Вдохновение для Баронтини пришло из личного наблюдения: он видел, как его сын играет с конструкторами, что заставило его подумать, что этот процесс аналогичен тому, что происходит в его собственных лабораториях, где создаются небольшие реплики реальности с использованием конденсатов Бозе-Эйнштейна.
Чтобы смоделировать самодостаточную Вселенную, Баронтини заключил конденсат в ловушку и разделил его тонким лазерным лучом. Он тщательно отслеживал одну половину, названную «светящимся сектором», при этом намеренно игнорируя другую, «темный сектор».
Атомы в светящемся секторе периодически осциллировали внутри ловушки, проходя через барьер и возвращаясь обратно. Баронтини назвал моменты, когда атомы вторгались в светящийся сектор, «Большим взрывом», а моменты опустошения — «Большим сжатием», термином, связанным с теорией конечного коллапса Вселенной.
Затем он отследил передачу энтропии — метрики беспорядка или рассеяния энергии в системе — между двумя половинами во время прохождения атомов. Вместо того чтобы полагаться на лабораторное время для упорядочивания событий, он установил «энтропийное время», часы, определенные исключительно потоком энтропии между двумя половинами системы: время шло, когда происходил обмен энтропией, и останавливалось при отсутствии такового.
Самым примечательным для Баронтини был тот факт, насколько согласованно все элементы выстроились. Внутреннее энтропийное время организовало события в светящемся секторе предсказуемым образом, отражая порядок, наблюдаемый в эксперименте. Эта работа представляет собой практическую проверку концепций, обсуждавшихся в квантовой космологии и термодинамике десятилетиями. Хотя это не категорическое заявление о том, что время — иллюзия, это первый случай, когда такие идеи подвергаются количественному и прямому лабораторному тестированию.
