Коли наступного разу проходитимете біля заплутаних мотків дроту чи мотуззя, згадайте, що природна здатність речей заплутуватися, можливо, дає змогу пояснити тривимірну структуру Всесвіту і те, як він сформувався.
Міжнародна команда фізиків виступила з новаторською ідеєю, яка полягає в тому, що одразу після Великого вибуху 13,8 млрд років тому Всесвіт був наповнений вузлами з гнучких потоків енергії, що називаються флюксовими трубками і пов’язують між собою елементарні частинки. Ідея, описана у статті “Вузлова інфляція та вимірність часу-простору”, пояснює, чому ми живемо у тривимірному світі.
“Питання, чому наш Всесвіт має саме три (макроскопічні) просторові виміри, є однією з найбільших загадок в космології. Проте її дуже рідко торкаються в науковій літературі”, — йдеться у статті.
Для нового погляду на цю проблему п’ятеро професорів-фізиків — Аржун Берез з Единбурзького університету, Роман Буній з Чепменського університету (Др. Роман Буній — випускник ЛНУ імені Івана Франка. — Прим. перекл.), Генріх Пьос з Дортмундського університету, Жоао Роса з Університету Авейру (Португалія) та Томас Кепхардт з Університету Вандербільда — поєднали Стандартну модель елементарних частинок з математичною теорією вузлів і в такий спосіб пояснили не тільки тривимірну структуру Всесвіту, а й джерело енергії, яке зумовило інфляційне розширення Всесвіту в перші мікросекунди його існування.
Елементом, що об’єднав дві теорії, стали флюксові трубки, утворені з кварків — елементарних частинок, з яких складаються протони і нейтрони. Кварки в протонах і нейтронах утримують глюони — інші елементарні частинки, які “склеюють” їх докупи (glue англійською “клей”). Глюони пов’язують позитивні кварки з негативно зарядженими антикварками і схожі на гнучкі пасма енергії. Коли частинки розходяться, ці пасма видовжуються, поки досягають точки, в якій вони “ламаються”. У цей момент вони випромінюють достатньо енергії, щоб сформувати нову пару кварк-антикварк, яка, своєю чергою, знову розщеплюється і пов’язується з оригінальними частинками (це те саме, що розрізати постійний магніт навпіл і отримати два нових магніти, кожен з власним північним і південним полюсом).
“Ми узяли добре відомий феномен флюксових трубок і змоделювали його при екстремальних значеннях енергії”, — каже Кепхардт, професор фізики з Університету Вандербільда.
Оригінальна ідея виникла у 2012 році, коли її автори брали участь в науковому семінарі в Інституті Ісаака Ньютона в Кембриджі (Англія). Під час цього семінару їх заінтригувала ідея, що флюксові трубки могли відіграти ключову роль на ранніх етапах існування Всесвіту.
Відповідно до сучасних теорій, ранній Всесвіт наповнював супергарячий “суп”, званий кварк-глюонною плазмою (у 2005-му цю форму існування матерії змогла відтворити міжнародна команда фізиків на Релятивістському важкому іонному колайдері в Брукхейвенській національній лабораторії).
Кепхардт та його співробітники збагнули, що кварк-глюонна плазма з екстремальною енергією могла стати ідеальним середовищем для формування флюксових трубок в ранньому Всесвіті. Пари кварків-антикварків, які постійно утворювалися та анігілювали, мали б породити міріади таких трубок.
Зазвичай ці трубки зникають, коли частинки, які їх утворюють, анігілюють, але є винятки. Якщо трубка набуває форми вузла, вона стає стабільною і може пережити частинки, які її створили. Причому якщо через цей вузол проходить траєкторія руху іншої частинки, вони разом формують потрійний вузол, який стабільно існує навіть після анігіляції всіх частинок. Стабільні флюксові трубки виникають і тоді, коли дві чи більше трубок стають взаємопов’язаними. Найпростішим прикладом такого взаємопов’язку є зчеплення Хопфа, що складається з двох пов’язаних кілець.
Як наслідок, дослідники припускають, що ранній Всесвіт наповнювала мережа з таких взаємопов’язаних флюксових трубок. Коли вони обчислили, скільки енергії могла містити така мережа, виявилося, що її було достатньо, щоб бути двигуном космічної інфляції.
Теорія космічної інфляції виникла на початку 1980-х рр. і полягає в тому, що у першу трильйонну частку секунди після Великого вибуху Всесвіт стрімко розширився з розмірів протона до розміру грейпфрута. Ця теорія вирішує дві важливі проблеми в космології: пояснює, чому Всесвіт одночасно пласкіший та рівномірніший, ніж він мав би бути. Утім, ця теорія не стала загальноприйнятою, оскільки фізики досі не ідентифікували джерела енергії, яке було рушієм розширення.
“Наша мережева теорія флюксових трубок не лише пояснює, що було цим джерелом, а й дає відповідь на питання, чому інфляція так швидко припинилася”, — каже Кепхардт. “Як тільки Всесвіт почав розширюватися, мережа трубок почала деградувати і, зрештою, зруйнувалась, що зупинило етап гіперекспансії”.
Ключовою характеристикою цієї теорії є те, що вона надає природне пояснення тривимірного світу. Окремі фізичні теорії описують Всесвіт з більшою кількістю вимірів, наприклад теорія струн, яка оперує 9-10 вимірами. Ці вищі виміри, пояснюють її прихильники, сховані від людського ока в той чи інший спосіб.
Аргументи теорії флюксових трубок ґрунтуються на постулатах математичної теорії вузлів. “Генріх Пьос був першим, кому спало на думку пояснити тривимірність світу, в якому ми живемо, на основі математичної теорії вузлів, а саме постулату, що вузли формуються тільки в трьох вимірах”, — каже Томас Кепхардт.
Щоб це пояснити, уявіть, що ви поставили цятку в центрі кола, яке намальоване на аркуші паперу (двовимірний об’єкт). У вас немає способу, як визволити цятку з кола, якщо ви й далі залишатиметесь на аркуші. Але якщо ви додасте третій вимір, ви можете підняти коло над цяткою і посунути його в інший бік. Коли ви його знову покладете на папір, цятка вже буде поза ним. Щось схоже відбувається і з тривимірними вузлами, коли ви додаєте четвертий вимір, — математики довели, що вони розплутуються. “З цієї причини флюксові трубки чи схожі структури не можуть сформуватися у просторі з вищою розмірністю”, — каже Кепхардт.
Наступний крок команди фізиків — удосконалити теорію таким чином, щоб її можна було експериментально перевірити.
David Salisbury
Filling the early universe with knots can explain why the world is three-dimensional
Research News. Vanderbilt, 13/10/2017
Зреферував Євген Ланюк
27.10.2017