Несколько миллиардов лет назад, в эру вскоре после Большого взрыва, Вселенная была столь плотной и настолько горячей, что элементарные частицы чувствовали существование силы тяжести сильно. В течение многих десятилетий физики во всем мире пытались обнаружить законы квантовой силы тяжести, описывающей эту фазу эволюции Вселенной. Недавно группа профессора Иржи Левандовски в Факультете Физики, Университет Варшавы (FUW) предложил свою собственную модель квантовой Вселенной. Недавние исследования его свойств, обсужденных во время 20-й Международной конференции по вопросам Общей теории относительности и Тяготения (GR20), проводимый в Варшаве вместе с 10-й Конференцией Эдоардо Амальди по Гравитационным волнам (Amaldi10), удивили исследователей.
Исследования, выполненные профессором Левандовски и его студентом доктора философии Андреа Дапором, показывают, что различные элементарные частицы «испытывают» существование различных пространственно-временных моделей.Одну из попыток описать квантовую силу тяжести называют квантовой силой тяжести петли (LQG). Эта теория предполагает, что пространство-время структурно несколько подобно ткани: Это состоит из большого количества очень маленьких волокон, запутанных в петлях. Область с областью одного квадратного сантиметра могла бы держать миллион триллионов триллиона триллиона триллиона триллиона (10^66) такие волокна.
Три года назад группа профессора Левандовски разработала последовательную математическую модель LQG, который объединяет квантовую механику с Общей теорией относительности. Модель принимает существование двух взаимодействующих областей.
Каждый – поле тяготения, которое может быть отождествлено с пространством (так как, согласно общей теории относительности, сила тяжести деформирует пространство-время, и это кривое пространство-время дает начало гравитационным эффектам). Вторая область в модели – (скалярная) область, которая присваивает номер каждому пункту в космосе. Эта область интерпретируется как самый простой тип вопроса.Изображение действительности в модели, выдвинутой Варшавскими Университетскими физиками, является квантом, и также – особенности, чрезвычайно отличающиеся от тех из мира, мы имеем дело с каждым днем. «В этой ситуации казалось естественным спросить: Как делает пространство-время, известное всем нам, появляются из основных состояний квантовой силы тяжести?
И так как нормальное пространство-время родилось бы в результате взаимодействия между вопросом и квантовой силой тяжести, мы можем быть уверены, что каждый тип вопроса определенно взаимодействует с пространством-временем, у которого есть те же самые свойства?», говорит профессор Левандовски.Чтобы найти ответы на эти вопросы, теоретики сначала получили образцы взаимодействия между квантовыми эффектами силы тяжести и вопросом для двух математически самых простых случаев: для нулевых частиц массы отдыха и для простых (скалярных) отличных от нуля частиц массы отдыха. В Стандартной Модели, которая в современной физике описывает элементарные частицы и их взаимодействия, соответствующие невесомые частицы были бы фотонами и скалярными отличными от нуля частицами массы отдыха с массой – известный бозон Хиггса, ответственный за массу других частиц: кварк и электроны, мюоны, taus и их связанные нейтрино.После получения уравнений, представляющих поведение частиц в соответствии с законами квантовой модели силы тяжести, физики FUW начали проверять, могли ли бы подобные уравнения быть получены с использованием обычного пространства-времени с различными симметриями.
Для невесомых частиц это оказалось возможным. Искомое пространство-время было изотропическим, т.е. у него были те же самые свойства во всех направлениях.«Согласно упрощенной модели мы исследовали, независимо от того, есть ли у фотона больший импульс или меньше, больше энергии или меньше, пространство-время, кажется, к нему то же самое во всех направлениях», объясняет профессор Левандовски.Для частиц с массой ситуация отличалась.
Существование массы налагает определенное дополнительное условие на теорию. Физики FUW показали, что классическое пространство-время, которое одновременно удовлетворит массовому условию и иметь те же самые свойства во всех направлениях, не может быть построено.
Соответствующее пространство-время могло быть найдено только среди анизотропных пространственно-временных моделей. Предпочтительное направление этих пространственно-временных моделей было направлением частицы движения.«Частицы с массой не только испытывают различные пространственно-временные модели, чем фотоны, но и каждый видит ее собственную частную версию пространства-времени в зависимости от направления, это приближается. Это открытие действительно застало нас врасплох», говорит студент доктора философии Андреа Дапор.
Это последнее открытие означает, что Вселенная частиц с массой не изотропическая? Такое утверждение имело бы огромное экспериментальное и наблюдательное значение. Однако ответ не, у Вселенной нет предпочтительного направления.
Как наблюдатели, изучающие поведение элементарных частиц, мы классические, а не квант, системы, и в некотором смысле мы «вне» мира частиц. Это не тогда важно что каждая частица «события» ее пространства-времени. Независимо от направления полета у всех частиц, зарегистрированных в лаборатории, будут точно те же самые особенности. Поэтому экспериментально подтверждение теоретических предсказаний команды FUW не будет никакой тривиальной задачей.
Работа команды профессора Левандовски финансировалась грантами из польского Министерства Образования в области естественных наук и Высшего образования и польского Национального Научного центра.