Когда все началось и как? Рассказываем о сотворении Вселенной простыми словами

В своем исследовании американские ученые попытались найти ответ на, как утверждают астрофизики, самый важный вопрос космологии: почему вообще что-либо, включая нас, существует? Как выясняется, дело в физических законах, которые поколениями считались симметричными друг другу. Но таковыми они, судя по всему, выступали не всегда: во время Большого взрыва нечто изменилось.  Onliner.by рассказывает подробнее про так называемый момент сотворения и последствия, которые он повлек.

«Каково начало Вселенной?»

Космология — раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Но вопрос, почему материи во Вселенной больше в сравнении с антиматерией — иными словами, почему что-либо, включая нас самих, в принципе существует, — волнует физиков уже не один десяток лет.

В начале 1960-х годов ученые предположили, что все дело в некоем нарушении, как считалось, абсолютно симметричных законов физики. Впрочем, отыскать обоснование подобному экзистенциальному нарушению за все прошедшее время не удавалось. Во всяком случае до сегодняшнего дня, когда астрономы из Университета Флориды (University of Florida, UF) опубликовали (раз, два) исследование, дающее концепции доказательства.

Согласно им, в истории Вселенной было весьма непродолжительное время, когда законы физики действовали иначе, чем сейчас, и это повлекло огромные последствия для ее дальнейшей эволюции. Речь про то самое «нарушение симметрии», о котором упоминалось выше, — времени, когда Вселенная предпочла один набор форм их зеркальным отображениям.

Слишком сложно? Постараемся чуть упростить. Работа специалистов из UF имеет два вывода. Во-первых, нарушение четности (или CP-инвариантности, играет важную роль в теории преобладания материи над антиматерией) могло отразиться на будущих галактиках лишь в период экстремального расширения в самые ранние моменты существования Вселенной. Другими словами, концепция подтверждает основной компонент теории Большого взрыва о происхождении космоса. Подробнее о Большом взрыве (или взрывах?) мы недавно рассказывали тут.

Во-вторых, допущение нарушения четности помогает ответить на вопрос из заголовка: почему вообще во Вселенной что-либо существует? Для объяснения причины, по которой материи больше, чем антиматерии, требуется нарушение четности. Это, в свою очередь, выступает важным условием для формирования галактик, звезд, планет и жизни вообще в том виде, в котором мы ее знаем.

Закари Слепян, профессор астрономии из Университета Флориды, руководивший исследованием, так высказался о смыслах работы: «Меня всегда интересовали большие вопросы о Вселенной. Каково начало Вселенной? Каковы правила, по которым она развивается? Почему существует нечто, а не ничто? Эта работа посвящена этим важным вопросам».

Зеркальные отражения

Что вообще представляет собой «симметрия четности», о которой упоминалось выше? Если пойти на упрощение, то это идея о том, что физические законы не должны отдавать предпочтение форме перед ее зеркальным отражением.

Ученые обычно используют для описания свойства термин handedness (англ. hand — рука), поскольку наши левая и правая руки — знакомые всем «зеркальные отражения». Ведь повернуть левую руку в трехмерном пространстве так, чтобы она выглядела в точности как правая, не получится. Это означает, их всегда можно отличить друг от друга — с физическими законами вроде радиоактивного распада правило работает так же.

Но нарушение такой симметрии привело бы к тому, что Вселенная предпочитает «левостороннюю» либо «правостороннюю» форму. Чтобы выявить сторону, которую она выбрала, физики представили все возможные комбинации четырех галактик, соединенных воображаемыми линиями в пространстве. Так получился трехмерный объект — тетраэдр, похожий на кривую пирамиду — простейшую форму, у которой есть зеркальное отображение.

Слепян с коллегами сумели определить правые и левые галактические тетраэдры на основе того, как галактики были связаны с их ближайшими и самыми дальними «партнерами» в этих воображаемых формах. Все это потребовало множества вычислений. «Метод требовал анализа триллионов воображаемых тетраэдров для каждой из миллионов галактик, что представляет собой умопомрачительное количество комбинаций». В итоге команда пришла к выводу, что без помощи суперкомпьютера HiPerGator им не обойтись — разработанные математические формулы позволили выполнить массив вычислений за приемлемое время.

У Вселенной все же есть «предпочтения»

Результаты оказались необычными, хотя точно определить, выбрала ли Вселенная «правосторонние» или «левосторонние» формы, сложно. Но доказательства того, что некоторые «предпочтения» у нее все же есть, нашлись.

Если быть точнее, то достоверность выводов составила семь сигм. При этом в физике результаты со значением в пять сигм (и выше) уже считаются надежными, поскольку вероятность случайного ответа на этом уровне исчезающе мала.

Хотя исследователи уверены в сигнале нарушения четности, остается вероятность, что неопределенность в измерениях может объяснить асимметрию. Впрочем, более крупные выборки галактик с телескопов последующего поколения окажутся способны предоставить достаточно данных, чтобы устранить эти неопределенности за несколько лет.

«Так как нарушение четности может наложить отпечаток на Вселенную только во время инфляции (быстрого расширения), и если то, что мы обнаружили, верно, то это дает весомое доказательство теории», — добавил Слепян.

Почему это так важно? Упростим еще раз. В симметричной Вселенной Большой взрыв должен был создать одинаковое количество материи и антиматерии, которое бы аннигилировало (то есть разрушило) друг друга, оставив космос без звезд, планет и других объектов. Этого, очевидно, не произошло — наоборот, все пошло по совсем иному сценарию. 

Поскольку мы получили Вселенную, состоящую в основном из материи, исследователи продолжительное время искали признаки асимметрии в «моменте сотворения» — и нашли. Вся работа Слепяна и его коллег описывает, почему это произошло.

Шанс на ошибку остается?

Хотя исследователи из Университета Флориды этого не заявляют, но да. Результаты, полученные в лаборатории, пока не могут объяснить, каким именно образом мы оказались в подобном критически важном изобилии материи. Для ответа на вопрос потребуется «новая физика», выходящая за рамки Стандартной модели, объясняющей строение нашей современной Вселенной.

«Однако результаты убедительно свидетельствуют о том, что в самые ранние моменты Большого взрыва имела место асимметрия», — заключается в материалах. Теперь ученым предстоит разработать теорию, объясняющую зеркальное расположение Вселенной и избыток материи.