Скрытые измерения существуют? Как аномалия темной энергии возвращает к жизни теорию струн
Современная астрофизика на протяжении последних десятилетий опиралась на принцип, что Вселенная расширяется с ускорением, и процесс этот управляется силой, которую физики называют темной энергией. Долгое время научное сообщество считало эту силу неизменной физической величиной, базовым свойством пустого пространства. Однако данные, полученные в прошлом году с помощью спектроскопического инструмента DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), поставили этот консенсус под сомнение. Масштабные наблюдения за распределением галактик показали, что темная энергия постепенно теряет свою силу.
Если новые данные подтвердятся в ходе дальнейших исследований, физикам предстоит полностью пересмотреть базовые принципы устройства реальности. Ослабевающая темная энергия не просто требует корректировки существующих космологических формул. Она указывает на то, что пространство-время обладает гораздо более сложной внутренней структурой, чем считалось ранее, и может содержать скрытые дополнительные измерения, которые физически меняют свой размер.
Проблема космологической постоянной
Стандартная космологическая модель, известная в науке как Лямбда-CDM, описывает эволюцию нашей Вселенной от Большого взрыва до сегодняшнего дня. В ее математической основе лежит космологическая постоянная. Этот параметр означает, что плотность темной энергии в вакууме всегда остается строго одинаковой. Даже когда Вселенная расширяется и объем пустого пространства увеличивается, количество темной энергии в каждом кубическом сантиметре космоса не меняется. Модель Лямбда-CDM способна корректно описывать наблюдения только при условии этого допущения.
Падение плотности темной энергии, зафиксированное приборами DESI, это допущение опровергает. В первую очередь под сомнение попадает общепринятая теория космической инфляции. Эта гипотеза предполагает, что в первые доли секунды после своего возникновения Вселенная пережила период сверхбыстрого экспоненциального расширения. Именно инфляция используется в Стандартной модели для объяснения того, почему космос выглядит однородным на больших расстояниях.
Однако у теории инфляции всегда были критики. По расчетам, инфляционная модель требует крайне маловероятных начальных условий для своего запуска, обладает излишней математической гибкостью, позволяющей подгонять результаты под любые наблюдения, и неизбежно приводит к концепции мультивселенной, которую невозможно проверить экспериментально. Новые данные об изменении плотности темной энергии дают критикам теории инфляции весомое эмпирическое подтверждение их правоты.
Физика циклической Вселенной
В качестве альтернативы есть другая концепция — циклическая космологическая модель. Согласно этой теории, Вселенная не имеет единственной точки начала и конца. Космос бесконечно проходит через последовательные стадии: расширение пространства сменяется его сжатием, после чего происходит процесс возврата материи в исходное состояние и начинается новый цикл расширения.
Чтобы этот процесс был физически возможен, темная энергия не может быть константой. Она должна эволюционировать с течением времени. На начальном этапе она должна ускорять расширение Вселенной, затем постепенно терять силу, замедлять разбегание галактик и, в конечном итоге, провоцировать обратный процесс — гравитационное сжатие всей существующей материи. Замедление темпов расширения космоса, которое сейчас фиксируют детекторы проекта DESI, в точности соответствует начальной фазе торможения, предсказанной циклической моделью. Это не доказывает теорию циклов окончательно, но делает ее математически обоснованной в свете новых наблюдений.
Скрытые измерения и теория струн
Ослабление темной энергии неожиданно возвращает актуальность другой сложной концепции фундаментальной физики — теории струн. В 1980-х годах она стала главным кандидатом на создание единой физической теории, способной объединить квантовую механику, описывающую микромир, и Общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую гравитацию и макромир. Теория утверждает, что все известные нам элементарные частицы являются не точками, а одномерными объектами, существующими в пространстве с дополнительными, невидимыми нам измерениями.
Однако физики-теоретики постоянно сталкивались с непреодолимой математической проблемой. Они не могли согласовать уравнения теории струн с небольшим положительным значением неизменной космологической постоянной, которая наблюдается в нашей Вселенной. Попытки создать стабильную модель, где темная энергия не меняется, неизменно приводили к математическим противоречиям. Из-за этого многие ученые начали считать теорию струн нежизнеспособной.
Физик-теоретик Камран Вафа из Гарвардского университета подошел к проблеме с другой стороны. В 2018 и 2019 годах его исследовательская группа опубликовала серию работ, опирающихся на гипотезу Swampland. Эта гипотеза представляет собой систему строгих математических критериев, позволяющих отделить физически возможные квантовые теории от некорректных. Используя этот метод, Вафа доказал: в рамках теории струн темная энергия в принципе обязана меняться со временем. Она должна представлять собой не константу, а динамическое физическое поле.
В 2022 году, еще до публикации результатов наблюдений DESI, команда Вафы предложила точное физическое обоснование этому процессу. Их модель предполагает, что наше пространство-время включает большое скрытое измерение, размер которого составляет около одного микрометра. Геометрия этого измерения не является статичной. Оно постепенно меняет свой размер на протяжении миллиардов лет космической истории. Изменение физических параметров этого дополнительного измерения напрямую влияет на плотность энергии в наблюдаемом нами трехмерном пространстве. Этот физический процесс изменения скрытой геометрии мы и фиксируем нашими телескопами как ослабление темной энергии.
Пересечение теории и наблюдений
Для специалистов, занимающихся теорией струн, данные инструмента DESI стали важнейшим событием. Исследователи из Гарварда опубликовали математическое предсказание о поведении темной энергии за несколько лет до того, как астрофизики получили фактические подтверждения этого процесса. При объединении новой информации от DESI с данными других космологических наблюдений выяснилось, что модель со скрытым микрометровым измерением описывает эволюцию Вселенной точнее, чем Стандартная модель Лямбда-CDM.
Долгое время теорию струн критиковали за то, что она не дает проверяемых предсказаний, которые можно было бы подтвердить или опровергнуть с помощью реальных приборов. Ослабевающая темная энергия становится первым таким предсказанием, которое совпадает с результатами прямых наблюдений.
Тем не менее, результаты DESI пока не являются абсолютным доказательством теории струн или наличия скрытых измерений. Эволюцию темной энергии можно математически описать и с помощью других моделей, которые не требуют введения дополнительных пространственных координат. Часть научного сообщества сохраняет скептицизм утверждая, что макроскопическое поведение Вселенной на масштабах в миллиарды световых лет не может служить прямым доказательством процессов, происходящих на глубоком квантовом уровне.
Критерии будущих проверок
Чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу о скрытых измерениях, научному сообществу необходимы более точные экспериментальные данные. Модель Гарвардской группы дает параметры для будущих проверок.
Если скрытое измерение размером в один микрометр действительно существует и меняет свою форму, физики должны зафиксировать микроскопические отклонения от Общей теории относительности Эйнштейна именно на таких малых расстояниях. Кроме того, изменение геометрии пространства должно оставлять специфические следы в процессе эволюции темной материи, которые можно будет обнаружить при дальнейшем изучении распределения массы в галактиках.
Сейчас физика находится в стадии ожидания новых данных. Если статистическая значимость результатов DESI повысится и ослабление темной энергии получит статус безоговорочного научного факта, это изменит сам подход к изучению устройства мира. Космология, изучающая самые большие структуры, и физика элементарных частиц, изучающая самые малые структуры, объединятся для решения общей задачи. Понимание физических причин, по которым Вселенная замедляет свое расширение, предоставит ученым возможность изучить реальную структуру пространства-времени на фундаментальном уровне.