Квантовый «отскок» помог объяснить, почему ранняя Вселенная стала однородной

Считается, что в первые мгновения после возникновения Вселенная пережила экстремально плотное и горячее состояние. В некоторых моделях, основанных на петлевой квантовой космологии (ПКК), классическая сингулярность Большого взрыва заменяется так называемым квантовым отскоком: вместо состояния с бесконечной плотностью происходит переход Вселенной от сжатия к расширению.

Отметим, что ПКК представляет собой космологический раздел более общей теории петлевой квантовой гравитации (ПКГ) — одного из подходов к объединению Общей теории относительности (ОТО) и квантовой механики.

У таких моделей есть серьезная проблема. Во время сжатия Вселенная может становиться все менее однородной: пространство начинает расширяться и сжиматься с разной скоростью в разных направлениях, а возникающие анизотропии могут нарушить дальнейшую эволюцию космоса и тем самым противоречить наблюдениям. Именно по этой причине ученые ищут механизм, подавляющий такие отклонения естественным образом.

Астрономы усомнились, что Вселенная одинакова во всех направлениях Анализ крупнейшего обзора галактик показал, что на самых больших масштабах их распределение может зависеть от направления. Если эти выводы подтвердятся, одно из ключевых предположений современной к… naked-science.ru

Международная исследовательская группа под руководством Вэнь-Цунь Ганя (Wen-Cong Gan) из Педагогического университета Цзянси (Китай) изучила модифицированную версию петлевой квантовой космологии (ПКК) — модель mLQC-I. В отличие от стандартной версии теории, она по-другому учитывает квантовые свойства пространства-времени, что меняет поведение Вселенной вблизи квантового отскока.

Для расчетов применили модель анизотропной Вселенной Бианки I (Bianchi I). В ней пространство может расширяться неодинаково в разных направлениях. Подход позволил проследить, как квантовые эффекты подавляют такие различия.

Расчеты показали, что сразу после квантового отскока показатель, характеризующий анизотропию пространства, начинает экспоненциально уменьшаться. Причем этот эффект практически не зависит от того, каким веществом заполнена Вселенная — обычной (барионной) материей, излучением или другими формами материи и квантовыми полями, что рассматриваются в космологических моделях. По сути, сама квантовая геометрия действует как естественный механизм «сглаживания», быстро приводя расширение к одинаковому темпу во всех направлениях.

Чтобы проверить результаты, ученые применили численное моделирование для нескольких различных сценариев. Во всех случаях Вселенная сначала проходила через квантовый отскок, затем быстро переходила к расширению. В отличие от стандартной ПКК, где анизотропии сохраняются, в mLQC-I они стремительно исчезали уже в квантовом режиме. Скорость этого процесса оказалась практически одинаковой вне зависимости от выбранных начальных условий и типа материи. Это указывает на универсальный характер эффекта.

Предложенный механизм, по мнению авторов научной работы, может избавить космологические модели от необходимости вводить дополнительные процессы для подавления анизотропий. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. 

Если выводы подтвердятся, модифицированная ПКК станет одним из наиболее перспективных описаний юного космоса. Эта модель объясняет, почему после экстремальных условий первых мгновений космос приобрел наблюдаемую сегодня однородность и изотропность. Научная работа остается теоретической и пока не имеет прямого подтверждения. Впрочем, дискуссию в научном сообществе она уже вызвала.