Наиболее широко принятый теоретический сценарий возникновения Вселенной — это инфляция, согласно которой Вселенная расширяется с экспоненциальной скоростью за первую мимолетную долю секунды. Однако был предложен ряд альтернативных сценариев, некоторые из которых предсказывают Большой кризис, предшествующий Большому взрыву. Уловка состоит в том, чтобы найти измерения, позволяющие различить эти сценарии.
Одним из многообещающих источников информации о начале Вселенной является космический микроволновый фон (CMB) — остаточное свечение Большого взрыва, которое пронизывает все пространство. Сначала это свечение кажется гладким и однородным, но при более близком рассмотрении меняется на небольшие количества. Эти вариации происходят из-за квантовых флуктуаций, присутствующих при рождении Вселенной, которые растягивались по мере расширения Вселенной.
Традиционный подход к различению различных сценариев ищет возможные следы гравитационных волн, сгенерированных в изначальной Вселенной, в реликтовом излучении. «Здесь мы предлагаем новый подход, который может позволить нам напрямую раскрыть эволюционную историю изначальной Вселенной по астрофизическим сигналам. Эта история уникальна для каждого сценария», — говорит соавтор Ксинганг Чен из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA). и Техасский университет в Далласе.Хотя предыдущие экспериментальные и теоретические исследования дают ключ к разгадке пространственных вариаций в изначальной вселенной, в них отсутствует ключевой элемент времени. Без тикающих часов, измеряющих течение времени, невозможно однозначно определить эволюционную историю изначальной вселенной.
«Представьте, что вы взяли кадры из фильма и сложили их все в случайном порядке друг на друга. Если на этих кадрах не указано время, вы не сможете расположить их по порядку. Первоначальная вселенная хрустнула или взорвалась? не знаю, идет ли фильм вперед или назад, вы не заметите разницы », — объясняет Чен.
Это новое исследование предполагает, что такие «часы» существуют и могут использоваться для измерения течения времени при рождении Вселенной. Эти часы имеют форму тяжелых частиц, которые являются ожидаемым продуктом «теории всего», объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности.
Их называют «первобытными эталонными часами».Субатомные тяжелые частицы будут вести себя как маятник, колеблясь вперед и назад универсальным и стандартным образом. Они могут делать это даже квантово-механически, без предварительного толчка. Эти колебания или квантовые колебания будут действовать как тиканье часов и добавлять временные метки к стеку кадров фильма по нашей аналогии.
«Тиканье этих изначальных стандартных часов вызовет соответствующие колебания при измерениях космического микроволнового фона, характер которого уникален для каждого сценария», — говорит соавтор Йи Ван из Гонконгского университета науки и технологий. Однако текущие данные недостаточно точны, чтобы выявить такие небольшие отклонения.Текущие эксперименты должны значительно улучшить ситуацию.
Такие проекты, как BICEP3 и Keck Array от CfA, а также многие другие связанные с ними эксперименты по всему миру, будут собирать исключительно точные данные реликтового излучения одновременно с поиском гравитационных волн. Если колебания изначальных стандартных часов будут достаточно сильными, эксперименты должны найти их в следующем десятилетии.
Подтверждающие доказательства могут быть получены из других направлений исследований, таких как карты крупномасштабной структуры Вселенной, включая галактики и космический водород.А поскольку изначальные стандартные часы были бы составной частью «теории всего», их обнаружение также предоставило бы доказательства физики за пределами Стандартной модели в масштабе энергии, недоступном для наземных коллайдеров.