Таємнича сила керує Всесвітом: фізики вперше знайшли доказ її існування

Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише Interesting Engineering.

Нова модель простору-часу

Фізики запропонували нову модель простору-часу, засновану на теорії струн, щоб пояснити темну енергію. Їхня теорія передбачає, що в надзвичайно малих масштабах простір і час поводяться інакше, ніж ми сприймаємо їх у повсякденному житті.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Фізики стверджують, що простір-час некомутативний. Це означає, що порядок, у якому вимірюються простір і час, впливає на результат. Зазвичай у математиці послідовність, у якій ви виконуєте обчислення, не завжди має значення. Але у квантовій механіці вимірювання положення до швидкості дає інший результат, ніж навпаки.

Така поведінка вказує на те, що простір-час має квантові властивості, і згідно з теорією струн, ця квантова поведінка змушує Всесвіт розширюватися дедалі швидше й швидше з плином часу. Це явище відоме, як прискорене розширення Всесвіту і вважається, що воно спричинене впливом темної енергії.

Темна енергія і квантова гравітація

Нова модель фізиків не тільки натякає на присутність темної енергії, а й видає значення, схоже на те, що вчені раніше вимірювали. Ба більше, їхнє відкриття припускає, що з часом темна енергія зменшується. Дані спостережень, зібрані приладом DESI, встановленим на телескопі в Національній обсерваторії Кітт-Пік, США, підтверджують це припущення.

За словами вчених, вони, можливо, отримали перший спостережний доказ, що підтверджує теорію струн, і, можливо, перші спостережувані наслідки теорії струн і квантової гравітації.

Учені знали про те, що космос розширюється з прискоренням з 1998 року, але вони не змогли знайти переконливих доказів сили, яка рухає ним, тобто темної енергії. Вважається, що темна енергія викликана квантовими коливаннями у вакуумі, але є один нюанс.

Якщо темна енергія є результатом коливань у вакуумі, її густина має залишатися постійною. Але дані спостережень DESI показують, що щільність енергії зменшується з часом. Цього не передбачає ні стандартна космологічна модель, ні стандартна модель фізики елементарних частинок. Тому фізики звернулися до теорії струн, одного з провідних кандидатів на роль теорії квантової гравітації.

Теорія струн

Теорія струн розглядає елементарні частинки як крихітні одномірні об'єкти, що вібрують і називаються струнами. Ці струни, залежно від їхніх режимів вібрації, породжують різні частинки, включно з гравітоном, гіпотетичним квантовим носієм гравітації.

Фізики застосували теорію струн для аналізу простору-часу на квантовому рівні. Замінивши опис частинок на структуру теорії струн, вчені виявили, що сам простір-час за своєю суттю є квантовим і некомутативним, що означає, що порядок, у якому координати з'являються в рівняннях, має значення.

Це дало змогу вченим вивести властивості темної енергії не лише з експериментальних даних, а й безпосередньо з фундаментальної фізичної теорії. Їхня модель не тільки дала густину темної енергії, яка близько відповідає даним спостережень, а й передбачила, що ця енергія має зменшуватися з часом, що відповідає даним DESI.

Нове пояснення темної енергії пов'язує найменшу річ, яку ми можемо собі уявити (довжину Пдланка, пов'язану з квантовою гравітацією), з найбільшою річчю, яку ми знаємо (розміром усього Всесвіту). Такий зв'язок має велике значення у фізиці, оскільки він натякає на те, що простір-час некомутативний.

Прорив у фізиці

Нова модель надає надійні теоретичні докази космічного прискорення, викликаного темною енергією, але необхідні подальші дослідження, які могли б підтвердити висновки фізиків.

Майбутні дослідження будуть зосереджені на виявленні квантових інтерференційних картин, які вказують на наявність квантової гравітації.

Якщо їхні висновки підтвердяться, вони стануть великим проривом не тільки в поясненні темної енергії, а й у наданні перших вагомих доказів теорії струн — довгоочікуваної мети фундаментальної фізики.

Як уже писав Фокус, фізики з'ясували, що темна матерія може існувати так довго, що складно навіть уявити. Фізики вважають, що темна матерія могла виникнути ще до того, як з'явився Всесвіт у тому вигляді, в якому ми його знаємо.