Их расчеты показывают, что на самых малых масштабах пространство-время ведет себя глубоко квантовым образом, резко отличаясь от гладкой, непрерывной структуры, которую мы наблюдаем в повседневной жизни. Согласно их выводам, координаты пространства-времени не «коммутируют» — это означает, что порядок их появления в уравнениях влияет на результат. Это похоже на то, как ведут себя положение и скорость частицы в квантовой механике.

Одно из самых поразительных последствий такого квантового пространства-времени, предсказанного теорией струн, заключается в том, что оно естественным образом приводит к космическому ускорению. Более того, исследователи обнаружили, что скорость, с которой это ускорение уменьшается со временем, удивительно хорошо согласуется с последними наблюдениями спектроскопического прибора темной энергии (DESI).

«Если посмотреть на результат DESI через призму нашей работы, то можно считать его первым наблюдательным свидетельством в поддержку теории струн и, возможно, первым наблюдаемым следствием теории струн и квантовой гравитации», — сказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Майкл Кавич, профессор SUNY Old Westbury.

Тайна расширения Вселенной

В 1998 году две независимые группы — проект «Космология сверхновых» и группа по поиску сверхновых High-Z — обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, как считалось ранее, а, наоборот, ускоряется. К такому выводу они пришли, изучая далекие сверхновые, которые оказались тусклее, чем ожидалось. Это ускорение предполагало наличие таинственной сущности, пронизывающей пространство, которую позже назвали темной энергией.

Однако происхождение темной энергии до сих пор остается неуловимым. Согласно популярной гипотезе, она возникает из-за квантовых флуктуаций в вакууме, аналогичных тем, что наблюдаются в электромагнитном поле. Однако, когда физики попытались рассчитать скорость расширения на основе этой идеи, они получили значение, которое было на 120 порядков больше — поразительное несоответствие.

Недавние наблюдения DESI еще больше усложнили картину. Согласно Стандартной модели элементарных частиц, если бы темная энергия была просто энергией вакуума, ее плотность должна была бы оставаться постоянной с течением времени. Однако данные DESI показывают, что скорость ускорения не постоянна, а уменьшается со временем, чего Стандартная модель не предсказывает.

Разгадка тайны с помощью теории струн

Чтобы разобраться с этими несоответствиями, исследователи обратились к теории струн — одному из ведущих кандидатов на создание квантовой теории гравитации. В отличие от Стандартной модели, в которой элементарные частицы рассматриваются как точечные, теория струн предполагает, что на самом деле они представляют собой крошечные, вибрирующие, одномерные объекты, называемые струнами. Эти струны, в зависимости от их режимов вибрации, порождают различные частицы — в том числе гравитон, гипотетический квантовый носитель гравитации.

В новой работе, которая была опубликована в базе данных препринтов arXiv, но не прошла рецензирование, физики Сунхенг Хур, Джордже Минич, Тацу Такеучи (Virginia Tech), Вишну Джеджала (University of the Witwatersrand) и Майкл Кавич применили теорию струн для анализа пространства-времени на квантовом уровне.

Заменив описание частиц в Стандартной модели на основы теории струн, исследователи обнаружили, что пространство-время само по себе является квантовым и некоммутативным, то есть порядок появления координат в уравнениях имеет значение.

Этот радикальный отход от классической физики позволил им вывести свойства темной энергии не просто из экспериментальных данных, а непосредственно из фундаментальной физической теории. Их модель не только дала плотность темной энергии, которая близко соответствует данным наблюдений, но и правильно предсказала, что эта энергия должна уменьшаться со временем, что согласуется с выводами DESI.

Одним из наиболее поразительных аспектов их результатов является то, что величина темной энергии зависит от двух совершенно разных масштабов длины: длины Планка, фундаментального масштаба квантовой гравитации, который составляет около 10-³³ сантиметров, и размера Вселенной, который составляет миллиарды световых лет. Такая связь между самыми маленькими и самыми большими масштабами космоса крайне необычна для физики и позволяет предположить, что темная энергия глубоко связана с квантовой природой самого пространства-времени.

«Это намекает на более глубокую связь между квантовой гравитацией и динамическими свойствами природы, которые считались постоянными», — говорит Кавич. «Может оказаться, что фундаментальное заблуждение, которое мы носим с собой, заключается в том, что основные определяющие свойства нашей Вселенной статичны, в то время как на самом деле это не так».

Экспериментальные проверки и будущие перспективы

Хотя предложенное командой объяснение ускоренного расширения Вселенной является значительным теоретическим прорывом, для подтверждения их модели необходимы независимые экспериментальные проверки. Исследователи предложили конкретные способы проверки своих идей.

Одна из линий доказательств «включает в себя обнаружение сложных квантовых интерференционных паттернов, что невозможно в стандартной квантовой физике, но должно происходить в квантовой гравитации», — добавил Миник.

Интерференция возникает, когда волны, например, световые или волны материи, накладываются друг на друга и либо усиливают, либо отменяют друг друга, создавая характерные паттерны. В обычной квантовой механике интерференция подчиняется хорошо понятным правилам и обычно включает в себя два или более возможных квантовых путей. Однако интерференция более высокого порядка, предсказываемая некоторыми моделями квантовой гравитации, предполагает более сложные взаимодействия, выходящие за рамки этих стандартных схем. Обнаружение таких эффектов в лаборатории стало бы революционным испытанием квантовой гравитации.

«Это настольные эксперименты, которые могут быть проведены в ближайшем будущем — в течение трех-четырех лет».

«Наш подход к квантовой гравитации имеет множество последствий», — сказал Джордже Минич, физик из Вирджинского технологического института и соавтор работы, в своем электронном письме. Одна из линий доказательств «включает в себя обнаружение сложных квантовых интерференционных паттернов, что невозможно в стандартной квантовой физике, но должно происходить в квантовой гравитации», — добавил Минич.

Интерференция возникает, когда волны, такие как свет или материя, накладываются друг на друга и либо усиливают, либо отменяют друг друга, создавая характерные паттерны. В обычной квантовой механике интерференция подчиняется хорошо понятным правилам. Однако некоторые модели квантовой гравитации предполагают более сложные взаимодействия, выходящие за рамки этих стандартных закономерностей. Обнаружение таких эффектов в лаборатории стало бы революционным испытанием квантовой гравитации.

«Это настольные эксперименты, которые могут быть проведены в ближайшем будущем — в течение трех-четырех лет».

Тем временем исследователи не ждут экспериментальных подтверждений. Они продолжают совершенствовать свое понимание квантового пространства-времени, а также изучают дополнительные возможности для проверки своей теории.

Если их выводы подтвердятся, это станет большим прорывом не только в объяснении темной энергии, но и первым ощутимым доказательством теории струн — цели, к которой давно стремились в фундаментальной физике.

Ученые полагают, что нашли объяснение темной энергии, связав ее с квантовой природой пространства-времени на основе теории струн. Их расчеты показывают, что на микроскопическом уровне пространство-время некоммутативно, что приводит к космическому ускорению, скорость которого, согласно данным DESI, со временем уменьшается.

Это открытие может стать первым наблюдательным подтверждением теории струн и квантовой гравитации. В отличие от Стандартной модели, теория струн предполагает, что элементарные частицы – это вибрирующие струны, а не точечные объекты, и включает гравитон, квантовый переносчик гравитации.

Модель исследователей выводит свойства темной энергии из фундаментальной физической теории, а не из экспериментальных данных, объясняя плотность темной энергии и ее уменьшение со временем. Важно отметить, что величина темной энергии зависит как от масштаба Планка, так и от размера Вселенной.

Для подтверждения модели необходимы экспериментальные проверки, в том числе обнаружение сложных квантовых интерференционных паттернов, что может быть осуществлено в ближайшие годы. Ученые продолжают работу над совершенствованием своей теории и поиском дополнительных способов ее проверки.