Кризис в космологии может означать, что скрытые измерения действительно существуют

В прошлом году космологи, работающие над спектроскопическим инструментом темной энергии (DESI), сообщили о намеках на то, что загадочная темная энергия, которая, как считается, является движущей силой расширения Вселенной, может со временем ослабевать. Если эти поразительные открытия окажутся верными, то темная энергия не может быть космологической константой – фиксированным членом в наших уравнениях, который представляет энергию пустого пространства – в конце концов. Когда эта бомба разразилась, большая часть шума была сосредоточена на том, что это означает для стандартной модели космологии, известной как лямбда-CDM, нашей лучшей попытки объяснить эволюцию Вселенной.

Если результаты подтвердятся, мы, возможно, наконец получим подсказки, необходимые для построения лучшей теории. Исследователи уже заняты попытками переосмыслить темную энергию, а также, возможно, темную материю и гравитацию.

Но если сила темной энергии действительно уменьшится с течением космического времени, последствия могут оказаться гораздо шире и глубже. Более широкая, в том смысле, что она может дать новый импульс сторонникам альтернативных космологий, которые изменят наше понимание судьбы Вселенной. И глубже, потому что это может даже рассказать нам что-то глубокое о самой глубокой структуре пространства-времени. «Конечно, существуют очень, очень интересные возможности для изменения многих физических явлений», — говорит Эрик Линдерфизик и космолог из Калифорнийского университета в Беркли.

Согласно лямбда-CDM, в первые моменты своего существования Вселенная подверглась экспоненциальному расширению за доли секунды. Это объяснение, известное как инфляция, похоже, объясняет, почему Вселенная такая гладкая, плоская и однородная в своих крупнейших масштабах. Но у инфляции есть свои критики, наиболее известные из них Пол Стейнхардтфизик из Принстонского университета. «Инфляция не работает», — прямо говорит он, добавляя, что она требует маловероятных начальных условий, слишком гибка и приводит к сценарию мультивселенной, который многие считают неправдоподобным.

Циклическая вселенная

Стейнхардт уже давно обосновал альтернативную гипотезу, известную как циклическая вселенная, в котором Вселенная бесконечно расширяется, сжимается и возвращается в норму. Однако, чтобы такие модели работали, темная энергия должна развиваться.

«Это должна быть какая-то распадающаяся темная энергия, которая прекращает ускорять расширение Вселенной, начинает его замедлять, а затем в конечном итоге вызывает сжатие, что приводит к отскоку и новому циклу», — говорит Стейнхардт. По крайней мере, первая часть этого – то, что ускорение расширения замедляется – это именно то, что мы, похоже, наблюдаем в данных DESI.

Это не означает, что результаты DESI доказывают существование циклических космологий. Мы еще можем обнаружить системные ошибки в измерениях и анализе, и вполне возможно, что темная энергия ослабевает, не вызывая ни сжатия, ни отскока. Однако если намеки на распад темной энергии подтвердятся, это придаст убедительность давнему аргументу Стейнхардта. «Я склонен быть очень консервативным и очень терпеливым», — говорит он. «Однако я бы сказал, что игра уже началась».

То же самое можно сказать и о другой спорной идее, получившей поддержку благодаря результатам DESI. В общих чертах теория струн утверждает, что все в конечном итоге состоит из исчезающе крошечных струн, компактированных в скрытые дополнительные измерения, чьи вибрации проявляются в виде различных частиц и сил, которые мы видим. Она приобрела известность в 1980-х годах, потому что, казалось, открывала путь к теории квантовой гравитации, примиряя квантовую теорию и общую теорию относительности в то, что некоторые называют теорией всего.

Но теоретики струн уже давно пытаются построить модели Вселенной с небольшой положительной космологической постоянной. В серии статей, опубликованных в 2018 и 2019 годах, физик-теоретик Камран Сомнение из Гарвардского университета и его коллеги основывались на ряде предложений, известных как гипотезы Болотной земли, которые направлены на то, чтобы отличить теории частиц, сил и пространства-времени, которые могут возникнуть из последовательной теории квантовой гравитации, от тех, которые не могут этого сделать. Используя эту концепцию, они предположили, что темная энергия не может быть космологической постоянной но вместо этого оно должно быть своего рода полем – подобным тому, которое, как считается, вызывает инфляцию, – энергия которого меняется со временем.

В то время такое предложение противоречило давнему убеждению, что темная энергия остается неизменной на протяжении космического времени. «Люди говорили: «Теория струн исключена, потому что темная энергия является константой», — говорит Вафа.

Скрытые размеры

Но он и его коллеги упорствовали. В 2022 году они предложили модель, в которой пространство-время имеет большое скрытое дополнительное измерениевозможно, размером в микрометр, размер которого постепенно меняется в течение космического времени. По мере изменения геометрии этого измерения меняется и количество энергии во Вселенной, которую мы наблюдаем. Исследователи утверждали, что это будет проявляться в виде темной энергии, которая медленно ослабевает. «Ничего экзотического [here] с точки зрения теории струн, — говорит Вафа. — Дополнительное измерение меняется, и на это реагируют как темная энергия, так и темная материя».

Легко понять, почему результаты DESI интригуют теоретиков струн: Вафа и его коллеги предсказывали, что темная энергия должна постепенно ослабевать, и теперь, похоже, именно это мы и наблюдаем. Действительно, когда Вафа и его команда проанализировали данные DESI в сочетании с другими наборами космологических данных в 2025 году, они обнаружили свое модель подходит намного лучше, чем лямбда-CDM и примерно так же, как и лучшие традиционные модели, которые позволяют темной энергии развиваться. Разница здесь, по его словам, в том, что их модель включает физическое объяснение того, что мы видим. «Вот почему я так взволнован», – говорит он. «Это очень приятно».

Чтобы внести ясность: результаты DESI не дают конкретных доказательств теории струн. Начнем с того, что степень, в которой они предпочитают развитие темной энергии космологической константе, по-прежнему зависит от того, с какими другими наборами космологических данных они сочетаются. Более того, нестрогие модели, которые не используют скрытые дополнительные измерения, одинаково хорошо соответствуют существующим данным.

Но если мы предположим на мгновение, что данные DESI сохранятся и статистическая значимость вырастет до уровня открытия, доказательства ослабления не только устранят эмпирическое препятствие для теории струн, но также ослабят аргумент о том, что теория струн не предлагает проверяемых предсказаний. «Мы придумали эту модель много лет назад», — говорит Вафа. «Теперь они наблюдают за этим, и это выглядит именно так, как мы ожидали».

Однако, чтобы реализовать идею о том, что это может предоставить наблюдательные данные в поддержку теории струн, теоретикам, таким как Вафа, придется построить более точную модель, которая делает более точные предсказания, отличную от неструнных альтернатив, и показать, что она соответствует всему спектру космологических данных лучше, чем другие варианты. Интересно, что эта концепция уже намекает на дополнительные проверяемые признаки, включая отклонения от стандартной картины эволюции темной материи и отклонения от общей теории относительности на микрометровых масштабах.

Некоторые космологи не убеждены, что результаты DESI вообще имеют какое-либо отношение к фундаментальной физике, даже если они действительно подтверждаются. «Темная энергия действует в определенных масштабах, и это то, о чем мы можем говорить», — говорит Педро Феррейракосмолог и астрофизик из Оксфордского университета. «[When it comes to] что происходит на квантовых уровнях, я не думаю, что мы сможем туда попасть».

Но другие допускают возможность того, что эти намеки могут иметь последствия далеко за пределами космологии, не в последнюю очередь потому, что они могут дать нам первый взгляд на глубокую квантовую структуру пространства-времени. «То, что придумал Кумрун Вафа, — это самое интересное, что я видел», — говорит Майк Тернеркосмолог из Чикагского университета в Иллинойсе. “Здесь встречаются космология и физика элементарных частиц. Мы копаем в действительно фундаментальных вещах, поэтому побочные эффекты могут быть огромными”.

Темы: