«Апостериори»: Квантовые поправки к теории относительности могут изменить представление о ранней Вселенной

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Общая теория относительности хорошо описывает поведение гравитации на больших масштабах – от движения планет до расширения Вселенной. Однако она перестаёт работать в экстремальных условиях, например, вблизи момента Большого взрыва. В этих условиях кривизна пространства-времени становится бесконечной, что указывает на неполноту теории. Поэтому физики давно пытаются построить более фундаментальное описание гравитации, которое оставалось бы корректным и при очень высоких энергиях.

В работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи рассмотрели так называемую квадратичную гравитацию. Это расширение Общей теории относительности, в котором учитываются дополнительные члены, зависящие от кривизны пространства-времени. Такие поправки становятся существенными именно в ранней Вселенной, когда энергии были экстремально высокими.

Одной из ключевых особенностей новой теории является возможность согласованного описания на квантовом уровне. Кроме того, при очень высоких энергиях гравитационное взаимодействие в ней становится слабее – это свойство называют асимптотической свободой. По мере охлаждения Вселенной эта модель постепенно переходит к обычной Общей теории относительности, которая возникает как эффективное описание на больших масштабах.

Авторы работы изучили, как такая теория может описывать раннюю Вселенную. Они показали, что квантовые поправки приводят к появлению экспоненциального расширения – инфляции. В стандартных моделях инфляция объясняется с помощью специального инфлатонного поля, которое до сих пор не было обнаружено. В данном случае инфляционное поведение возникает естественным образом из самой гравитации, без введения дополнительных сущностей. По мере развития этого процесса Вселенная выходит из инфляции и переходит в фазу, в которой доминирует излучение – так же, как это описывается в стандартной космологии. Таким образом, модель связывает раннюю высокоэнергетическую фазу с более поздней, хорошо изученной эволюцией Вселенной.

Важным следствием новой теории является возможность делать проверяемые предсказания. В частности, модель задаёт диапазон значений для параметров, описывающих первичные флуктуации плотности и гравитационные волны. Одним из ключевых результатов является нижняя граница для отношения амплитуд тензорных и скалярных возмущений – параметра, который можно измерить по реликтовому излучению. Если будущие наблюдения покажут значения ниже этого порога, модель окажется опровергнутой.

При этом работа содержит ряд существенных допущений. В частности, для согласования с наблюдениями требуется существование очень большого числа дополнительных полей, которые пока не обнаружены. Кроме того, теория сталкивается с трудностями, связанными с так называемыми «призрачными» степенями свободы, и вопрос об их физической интерпретации остаётся открытым.

Тем не менее, предложенная модель представляет интерес как один из возможных путей к квантовой теории гравитации. Она показывает, что ключевые элементы космологической модели – такие как инфляция – могут возникать непосредственно из свойств гравитации, а не вводиться отдельно.

Если эти идеи подтвердятся, это может изменить наше понимание ранней Вселенной – не за счёт отказа от Общей теории относительности, а за счёт её расширения и уточнения.