Кейсы 28 мая 2023

Каким был момент сотворения и почему мы существуем: что об этом говорит физика

Многие поколения ученых были уверены, что законы физики абсолютно симметричны. Однако они всего были такими. «Хайтек» рассказывает, что это меняет.

Читайте «Хайтек» в

Многие поколения ученых были уверены, что законы физики абсолютно симметричны. Сама по себе симметрия — это аккуратная и привлекательная концепция, которая, увы, разваливается в нашей «неопрятной» Вселенной. Действительно, с 1960-х годов требовалось какое-то нарушение симметрии, чтобы объяснить, почему материи во Вселенной больше, чем антиматерии. Но определить источник этого экзистенциального нарушения симметрии, даже найти его доказательства, было невозможно. Однако теперь ученым это, похоже, удалось.

Астрономы из Университета Флориды нашли первое свидетельство необходимого нарушения симметрии в момент сотворения. Они обнаружили, что Вселенная в какой-то момент предпочла один набор форм их зеркальным изображениям — произошло нарушение симметрии. Согласно этой концепции, в истории нашей Вселенной было очень короткое время, когда законы физики были совсем другими, чем сегодня, и это имело огромные последствия для эволюции Вселенной.

В итоге ученые сделали два основных вывода: во-первых, это нарушение четности могло отразиться на будущих галактиках только в период экстремальной инфляции в самые ранние моменты существования Вселенной, подтверждая центральный компонент теории Большого взрыва о происхождении космоса.

Во-вторых, нарушение четности также помогло бы ответить, возможно, на самый важный вопрос космологии: почему вообще что-то существует. Это связано с тем, что для объяснения того, почему материи больше, чем антиматерии, требуется нарушение четности. Это является важным условием для формирования галактик, звезд, планет и жизни таким образом, как они есть.

«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», — объясняет Закари Слепян, профессор астрономии Университета Флориды, который руководил новым исследованием.

Идея симметрии четности в том, что уравнения физики инвариантны относительно зеркальной инверсии. Это ведет к предсказанию того, что зеркальное изображение реакции (например, химической реакции или радиоактивного распада) происходит так же, как и сама реакция. Ученые обычно используют термин handedness (от англ. hand рука) для описания этой черты. Наши левая и правая руки являются зеркальными отражениями друг друга (условно). Невозможно повернуть левую руку в трех измерениях, чтобы она выглядела как правая, а это значит, что их всегда можно отличить друг от друга.

Нарушение симметрии означало бы, что Вселенная предпочитает либо «левостороннюю», либо «правостороннюю» форму. Чтобы понять handedness или сторону, которую выбрала Вселенная, ученые представили все возможные комбинации четырех галактик, соединенных воображаемыми линиями в пространстве. Они создали трехмерный объект — тетраэдр, похожий на кривую пирамиду — простейшую форму, у которой есть зеркальное отображение. Они определили правые и левые галактические тетраэдры на основе того, как галактики были связаны с их ближайшими и самыми дальними «партнерами» в этих воображаемых формах.

Для этого ученым потребовалось проанализировать триллионы воображаемых тетраэдров для каждой из миллионов галактик — это огромное количество комбинаций. «В конце концов мы поняли, что нам нужна новая математика», — пишут ученые.

Поэтому они разработали сложные математические формулы, которые позволили выполнять огромные вычисления в разумные сроки. Это по-прежнему требовало больших вычислительных мощностей. Для этого ученые использовали суперкомпьютер HiPerGator.

Из-за технических аспектов анализа трудно сказать, «выбрала» ли Вселенная «правосторонние» или «левосторонние» формы, но ученые наблюдаи явные доказательства того, что у космоса все же есть предпочтения. Достоверность выводов составила семь сигм. В физике результат со значением сигмы пять или выше обычно считается надежным, потому что вероятность случайного результата на этом уровне слишком мала.

Хотя ученые уверены в этом сигнале нарушения четности, остается возможным, что неопределенность в основных измерениях может объяснить асимметрию. К счастью, гораздо более крупные выборки галактик с телескопов следующего поколения могут предоставить достаточно данных, чтобы устранить эти неопределенности всего за несколько лет. Ученые планируют провести анализ этих новых, более надежных данных в составе команды телескопа Dark Energy Spectroscopic Instrument.

В симметричной Вселенной Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии, которые уничтожили бы друг друга и оставили бы космос без звезд и планет. Поскольку мы явно существуем во Вселенной, физики долго искали какие-то признаки асимметрии в раннем сотворении.

Выводы ученых пока не могут объяснить, как мы оказались с таким критическим изобилием материи. «Как» потребует новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели, которая объясняет нашу Вселенную. Но новые результаты убедительно свидетельствуют о том, что в самые ранние моменты Большого взрыва существовала асимметрия.

Сейчас начинается гонка ученых за создание теории, которая может объяснить предпочтение зеркального отображения Вселенной и избыток материи.

Результаты исследования опубликованы в двух статьях (первое, второе).