Странные квантовые объекты могут объяснить, почему мы существуем

Одна из самых больших космологических загадок заключается в том, почему Вселенная состоит из гораздо большего количества материи, чем антивещества, и, по сути, почему мы существуем. Теперь команда физиков-теоретиков утверждает, что они знают, как найти ответ. Все, что им нужно сделать, это обнаружить гравитационные волны, создаваемые причудливыми квантовыми объектами, называемыми Q-шарами.

У каждой частицы обычной материи есть партнер из антивещества с противоположными характеристиками - и когда материя взаимодействует с антивеществом, эти две частицы уничтожают друг друга. Этот факт делает наше существование загадкой, поскольку космологи почти уверены, что на заре Вселенной были произведены равные количества материи и антивещества; эти партнеры из материи и антивещества должны были уничтожить друг друга, оставив Вселенную вообще лишенной материи. Тем не менее, материя существует, и исследователи постепенно открывают причины, почему.

Одна потенциальная причина может заключаться в Q-шарах, теоретических "глыбах", которые образовались в моменты после Большого взрыва, до того, как Вселенная быстро надулась, как воздушный шар. Эти объекты будут содержать свою собственную асимметрию материи и антивещества, что означает, что внутри каждого Q-шара будут существовать неравные части материи и антивещества. Когда эти Q-шары "лопнули", они высвободили бы больше материи, чем антивещества, и вызвали бы гравитационную рябь в пространстве-времени. Согласно новой статье, опубликованной 27 октября в журнале Physical Review Letters, если бы эти объекты действительно существовали, мы могли бы обнаружить их с помощью гравитационных волн.

Согласно физике элементарных частиц, ткань Вселенной покрыта различными квантовыми полями, каждое из которых описывает какое-то свойство (например, электромагнетизм) во всех точках пространства. Колебания этих полей порождают фундаментальные частицы, составляющие нашу физическую реальность. Чтобы проиллюстрировать, как работают эти поля, представьте себе батут с шаром для боулинга, сидящим в центре. Форма, которую шар для боулинга придает батуту, показывает, сколько энергии любая точка поля вкладывает во Вселенную - чем ближе к центральной точке, тем больше потенциальная энергия. Подобно тому, как форма поверхности батута определяет, как шарик будет катиться по шару для боулинга, "форма" поля определяет поведение поля.

Одна теория, предложенная в 1985 году физиками Принстонского университета Яном Аффлеком и Майклом Дайном, пытается объяснить асимметрию материи и антивещества Вселенной, утверждая, что поля, которые управляли этой ранней инфляцией Вселенной, должны были быть довольно мелкими, чтобы для того, чтобы произошла инфляция - другими словами, шар для боулинга в центре батута не был очень тяжелым. И точно так же, как шарик, катящийся по неглубокой впадине шара для боулинга, не набирает и не теряет большую скорость, форма поля означала, что энергия, управляющая инфляцией Вселенной, оставалась однородной.

Поскольку инфляция требует этой однородности, поле не может слишком сильно взаимодействовать с любыми другими полями (по сути, с другими трамплинами) для создания частиц. Но согласно теории Аффлека и Дайна, это поле взаимодействовало с другими таким образом, что создавало больше частиц материи, чем частиц антивещества. Чтобы сохранить эту однородную форму, поле содержало эти частицы в виде "омков".

"Эти комки называются Q-шарами. Это просто комки поля", - сказал ведущий автор Грэм Уайт, физик из Института физики и математики Вселенной Кавли.

По мере того как Вселенная расширялась, эти Q-шары болтались вокруг. "И в конечном итоге они становятся самой важной частью Вселенной с точки зрения того, сколько в них энергии по сравнению с остальной Вселенной".

Но они не вечны. Когда Q-шары действительно исчезают, наполняя Вселенную большим количеством вещества, чем антивещества, они делают это так внезапно, что производят звуковые волны. Согласно новому исследованию, эти звуковые волны действуют как источник ряби в пространстве-времени, известной как гравитационные волны. Команда Уайта утверждает, что если эти гравитационные волны существуют, их можно измерить здесь, на Земле, с помощью таких детекторов, как космический массив лазерных интерферометров NASA (LISA) и подземный телескоп Эйнштейна.

Это не единственная теория, объясняющая асимметрию материи и антивещества Вселенной. Но Уайт сказал, что это нормально, поскольку мы находимся в волнующем моменте, когда, если одна из этих парадигм верна, мы, вероятно, сможем это доказать. "[Есть] целая куча машин, которые мы включаем в 2030-х годах, которые, надеюсь, смогут увидеть эти гравитационные волны», - сказал Уайт. «Если мы действительно увидим их, это будет действительно интересно". Но даже если детекторам не удастся обнаружить эту рябь Q-шаров, это тоже хорошая новость, потому что это означает, что более простые теории, вероятно, верны - и их легче проверить, - сказал он. "Так что в некотором смысле это беспроигрышный вариант".