Квантовый генезис: возникновение плоской вселенной и ее зеркала из ничего

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

Я давно увлечен фундаментальной загадкой происхождения нашей вселенной. В своей работе я исследую альтернативу традиционным моделям космологии, основанным на сингулярности. Вместо вселенной, возникающей из бесконечно плотной точки, я предполагаю, что плоская вселенная и ее обращенный во времени партнер — антивселенная — могут возникнуть вместе из ничего посредством плавного квантового процесса.

Эта модель, описанная в рукописи, принятой к публикации в журнале Europhysics Letters, решает некоторые ключевые проблемы, изложенные в более ранних предложениях, таких как отсутствие границ Хартла–Хокинга и туннельный подход Виленкина.

Теоретическая основа

Традиционные модели космического творения часто включают евклидово пространство — фазу, где время ведет себя скорее как пространственное измерение — чтобы обойти проблему сингулярности. Предложение Хартла–Хокинга представляет вселенную, возникающую из гладкой, компактной геометрии, однако оно обычно предсказывает слишком мало инфляционных e-складок, чтобы соответствовать нашим наблюдениям. Между тем, туннельный подход Виленкина, хотя и совместим с надежным инфляционным периодом, с трудом может правильно генерировать спектр космических флуктуаций.

Ключевым элементом, отсутствующим в этих подходах, является включение механизма, который естественным образом объясняет плоскую вселенную, как это наблюдается сегодня. В классической космологии пространственная кривизна играет решающую роль. Однако наблюдения показывают, что наша вселенная почти плоская (k = 0). Это несоответствие заставило меня задуматься о том, может ли другой ингредиент — в частности, квантовый потенциал — взять на себя роль, обычно отводимую кривизне.

Моя модель

В своей модели я предполагаю, что наша вселенная не возникла из классической сингулярности, а возникла из евклидовой фазы посредством квантовой механики. Суть идеи в том, что две ветви — вселенная и ее обращенная во времени антивселенная — создаются одновременно. Вот как я к этому подхожу:

• Евклидов инстантон: Процесс начинается с евклидова инстантона, фазы, в которой традиционное представление о времени заменяется более пространственным поведением. В течение этой фазы масштабный фактор вселенной, который говорит нам о ее размере, следует косинусоподобному поведению. Такое поведение гарантирует, что вселенная появляется с конечным размером в момент начала времени, тем самым избегая бесконечных плотностей, связанных с сингулярностями.

Квантовый потенциал как заменитель кривизны: В квантовой сфере каждая частица описывается волновой функцией, которая включает в себя не только классический потенциал, но и дополнительный квантовый потенциал. Я обнаружил, что этот квантовый потенциал может эффективно имитировать роль пространственной кривизны. Даже при k = 0 квантовый потенциал допускает плавный переход от евклидовой фазы к лоренцевой фазе (наша знакомая развивающаяся во времени вселенная).

CPT-симметрия и спаривание вселенная/антивселенная: фундаментальная симметрия в физике, известная как CPT-симметрия (заряд, четность и обращение времени), подразумевает, что процессы происходят в зеркальных парах. В моей модели эта симметрия гарантирует, что когда наша вселенная возникает в одном направлении времени, антивселенная возникает в противоположном направлении времени. Хотя эти две ветви классически разделены, они остаются квантово-механически запутанными, что может иметь значительные последствия для нашего понимания темной энергии и темной материи.

Космологические последствия

Последствия этой модели простираются далеко за пределы происхождения космоса. Естественное создание пары вселенная/антивселенная может дать новые объяснения нескольким давним загадкам в космологии:

• Избегание начальной сингулярности: Поскольку вселенная возникает с конечным масштабным фактором из евклидова инстантона, проблемная сингулярность избегается. Это не только устраняет главное теоретическое препятствие, но и согласуется с представлением о том, что законы физики должны оставаться хорошо себя ведущими в начале вселенной.

• Инфляционное расширение: использование квантового потенциала позволяет модели воспроизводить большое количество инфляционных e-складок — фазу быстрого расширения, необходимую для объяснения однородности и плоскостности, наблюдаемых в космосе. Это устраняет одну из ключевых слабостей предложения без границ.

Темная энергия и темная материя: квантовая запутанность между вселенной и ее антивселенной может быть ответственна за загадочное явление темной энергии, приводящее к ускоренному расширению, которое мы наблюдаем сегодня. Кроме того, симметричный процесс создания может дать представление о природе и распространенности темной материи, потенциально связывая эти космические загадки с самим рождением вселенной.

Будущие направления и открытые вопросы

Хотя моя модель представляет собой интригующую альтернативу традиционным космологическим теориям, остается несколько направлений для дальнейшего исследования.

Критически важным следующим шагом является получение проверяемых предсказаний из этой структуры. Я работаю над выявлением тонких сигнатур — таких как определенные закономерности в космическом микроволновом фоне или в крупномасштабной структуре Вселенной — которые могли бы подтвердить процесс создания Вселенной/Антивселенной.

Преодоление разрыва между квантовой механикой и общей теорией относительности является центральной задачей современной физики. Я стремлюсь и дальше развивать теоретические основы этой модели, чтобы лучше согласовать ее с текущими исследованиями в области квантовой гравитации, такими как подходы, найденные в петлевой квантовой космологии.

Также необходимо больше работы, чтобы понять, как квантовый потенциал количественно заменяет роль кривизны. Это включает в себя изучение его поведения в различных космологических эпохах и его влияния на динамику космической инфляции и формирование структур.

Подводя итог, можно сказать, что мое исследование предлагает новый взгляд на происхождение нашей Вселенной, предполагая, что плоская Вселенная и ее зеркальная антивселенная могут возникнуть одновременно из ничего посредством квантового процесса. Заменяя традиционную кривизну квантовым потенциалом, эта модель согласуется с наблюдаемой плоскостностью Вселенной и естественным образом приводит к надежному инфляционному периоду. Более того, присущая этому процессу симметрия CPT приводит к образованию пары Вселенная/Антивселенная, что может дать новое понимание темной энергии и темной материи.

Хотя многое еще предстоит изучить, эта работа открывает новые пути для понимания ранней Вселенной и глубокого взаимодействия между квантовой механикой и тканью пространства-времени. Я по-прежнему взволнован возможностью того, что дальнейшие исследования в этом направлении могут пролить свет на некоторые из самых глубоких тайн космологии.

Эта история является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных исследовательских статей. Посетите эту страницу для получения информации о Science X Dialog и о том, как принять участие.

Больше информации: Naman Kumar, Creation of a flat universe-antiuniverse pair from nothing, Europhysics Letters (2025). DOI: 10.1209/0295-5075/adb451