|
Отсутствие симметрии может объяснить наше существование
|
|
|
|
Многие поколения физиков были уверены, что законы физики абсолютно симметричны. Пока их не было. Симметрия — это аккуратная и привлекательная идея, которая разваливается в нашей неопрятной вселенной. Действительно, с 1960-х годов требовалось какое-то нарушение симметрии, чтобы объяснить, почему материи во Вселенной больше, чем антиматерии, то есть почему это вообще существует. Но определить источник этого экзистенциального нарушения симметрии, даже найти его доказательства, было невозможно. Тем не менее, в новой статье, опубликованной в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, астрономы Университета Флориды нашли первое свидетельство этого необходимого нарушения симметрии в момент сотворения. Ученые UF изучили колоссальный миллион триллионов трехмерных галактических четверок во Вселенной и обнаружили, что Вселенная в какой-то момент предпочитала один набор форм своим зеркальным изображениям.
|
|
|
|
Эта идея, известная как нарушение симметрии по четности, указывает на бесконечно малый период в истории нашей Вселенной, когда законы физики были другими, чем сегодня, что имело огромные последствия для эволюции Вселенной. Вывод, установленный с высоким уровнем статистической достоверности, имеет два основных следствия. Во-первых, это нарушение четности могло отразиться на будущих галактиках только в период экстремальной инфляции в самые ранние моменты существования Вселенной, подтверждая центральный компонент теории Большого взрыва о происхождении космоса. Нарушение четности также помогло бы ответить, возможно, на самый важный вопрос космологии: почему существует что-то, а не ничто? Это связано с тем, что для объяснения того, почему материи больше, чем антиматерии, требуется нарушение четности, что является важным условием для формирования галактик, звезд, планет и жизни таким образом, как они есть.
|
|
|
«Меня всегда интересовали большие вопросы о Вселенной. Каково начало Вселенной? Каковы правила, по которым она развивается? Почему существует нечто, а не ничто?» сказал Закари Слепян, профессор астрономии Университета Флориды, который руководил новым исследованием. «Эта работа посвящена этим важным вопросам». Слепян работал с постдокторантом UF и первым автором исследования, Джиамином Хоу, и физиком Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Робертом Каном, чтобы провести анализ. Трио опубликовало свои выводы 22 мая в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Те же исследователи впервые предложили идею поиска нарушения четности с использованием четверки галактик в статье, которая также была недавно опубликована в Physical Review Letters.
|
|
|
|
Симметрия по четности — это идея о том, что физические законы не должны отдавать предпочтение одной форме ее зеркальному отображению. Ученые обычно используют термин «ручность» для описания этой черты, потому что наши левая и правая руки являются зеркальными отражениями, с которыми мы все знакомы. Невозможно повернуть левую руку в трех измерениях, чтобы она выглядела как правая, а это значит, что их всегда можно отличить друг от друга. Нарушение четности означало бы, что Вселенная предпочитает либо левостороннюю, либо правостороннюю форму. Чтобы обнаружить рукоятку Вселенной, в лаборатории Слепяна представили все возможные комбинации четырех галактик, соединенных воображаемыми линиями в пространстве. Это создает трехмерный объект, называемый тетраэдром, похожим на кривую пирамиду — простейшую форму, имеющую зеркальное отражение. Они определили правые и левые галактические тетраэдры на основе того, как галактики были связаны с их ближайшими и самыми дальними партнерами в этих воображаемых формах.
|
|
|
|
Их метод требовал анализа триллиона воображаемых тетраэдров для каждой из миллионов галактик — ошеломляющее количество комбинаций. «В конце концов мы поняли, что нам нужна новая математика», — сказал Слепян. Поэтому команда Слепяна разработала сложные математические формулы, которые позволили выполнять огромные вычисления в разумные сроки. Это по-прежнему требовало значительных вычислительных мощностей. «Уникальная технология UF, которую мы используем вместе с суперкомпьютером HiPerGator, позволила нам провести анализ тысячи раз с различными настройками, чтобы проверить наш результат», — сказал он.
|
|
|
|
Из-за технических аспектов анализа трудно сказать, предпочитает ли Вселенная «правосторонние» или «левосторонние» формы, но ученые увидели явные доказательства того, что у космоса есть предпочтения. Они установили свое открытие со степенью уверенности, известной как семь сигм, мера того, насколько маловероятно достижение результата, основанного только на случайности. В физике результат со значением сигмы пять или выше обычно считается надежным, потому что вероятность случайного результата на этом уровне исчезающе мала. Аналогичный анализ, проведенный бывшим сотрудником лаборатории Слепяна, выявил такое же предпочтение универсальной формы, хотя и с несколько меньшей статистической достоверностью из-за различий в дизайне исследования.
|
|
|
|
Хотя ученые уверены в этом сигнале нарушения четности, остается возможным, что неопределенность в основных измерениях может объяснить асимметрию. К счастью, гораздо более крупные выборки галактик с телескопов следующего поколения могут предоставить достаточно данных, чтобы устранить эти неопределенности всего за несколько лет. Группа Слепяна в UF проведет анализ этих новых, более надежных данных в составе команды телескопа Dark Energy Spectroscopic Instrument.
|
|
|
|
Это не первый случай обнаружения нарушения четности, но это первое свидетельство нарушения четности, которое может повлиять на трехмерное скопление галактик во Вселенной. Одно из фундаментальных взаимодействий, слабое взаимодействие, также нарушает четность. Но его досягаемость крайне ограничена, и он не может влиять на масштабы галактик. Это галактическое влияние потребовало бы, чтобы нарушение паритета произошло прямо в момент Большого взрыва, периода, известного как инфляция. «Поскольку нарушение паритета может быть отпечатано во Вселенной только во время инфляции, если то, что мы нашли, верно, это дает неопровержимые доказательства инфляции», — сказал Слепян.
|
|
|
|
Нарушение четности слабого взаимодействия также не могло объяснить изобилие материи. В симметричной Вселенной Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии, которые уничтожили бы друг друга и оставили бы вселенную без звезд и планет. Поскольку мы явно пришли к Вселенной, состоящей в основном из материи, физики долго искали какие-то признаки асимметрии в раннем сотворении. Выводы лаборатории Слепяна пока не могут объяснить, как мы оказались с таким критическим изобилием материи. «Как» потребует новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели, которая объясняет нашу текущую Вселенную. Но новые результаты убедительно свидетельствуют о том, что в самые ранние моменты Большого взрыва существовала асимметрия. Сейчас начинается гонка ученых за создание теории, которая может объяснить предпочтение зеркального отображения Вселенной и избыток материи.
|
|
|
|
Источник
|
