Новый взгляд на космологические корреляции и возникновение времени

Иллюстрация основной идеи исследования, предлагающей «вневременной» взгляд на космологию ранней Вселенной. Команда заполнила временную шкалу Вселенной до серой поверхности этой идеей о растяжении корреляций во время более ранней фазы развития Вселенной. Автор: Гильерме Лейте Пиментел, с использованием снимков реликтового излучения, сделанных спутником Planck (ESA). Верхняя панель взята из модели Millennium (Институт астрофизики Макса Планка).

Физики, изучающие происхождение и эволюцию Вселенной, опираются на теории, описывающие статистические связи между различными событиями или полями в пространстве-времени — так называемые космологические корреляции. Кинематические параметры — это данные, которые определяют космологическую корреляцию: положения частиц или волновые числа космологических флуктуаций.

Изменения космологических корреляций под влиянием вариаций кинематических параметров можно описать с помощью дифференциальных уравнений. Эти математические уравнения связывают функцию (соотношение между входом и выходом) с её скоростью изменения. В физике такие уравнения широко применяются, поскольку хорошо подходят для описания высокодинамичной природы Вселенной.

Исследователи из Института перспективных исследований в Принстоне, Центра космологии и астрофизики частиц в Тайбэе, Института теоретической физики имени Уолтера Бёрка в Калтехе, Чикагского университета и Высшей нормальной школы в Пизе недавно предложили новый подход к уравнениям, описывающим влияние плавных изменений кинематических параметров на космологические корреляции.

Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, представляет фреймворк под названием «кинематический поток», который может помочь вывести эти дифференциальные уравнения из базовых комбинаторных правил (принципов определения числа способов расположения или выбора объектов в наборе).

Мы начали работать над этой статьей примерно в сентябре 2020 года. Нашей мотивацией было понять, почему эта математическая структура — дифференциальные уравнения в кинематическом пространстве — постоянно появляется в космологии. Было ли это из-за симметрии? Или по какой-то более простой причине? Было подозрение, что мы обмениваем временную эволюцию на пространственное разделение — идея в том, что взгляд на снимок ранней Вселенной на больших расстояниях позволяет исследовать самые ранние фазы Вселенной — и мы хотели сделать это точным.

За последние десятилетия уравнения в кинематическом пространстве оказались более полезными для предсказания событий ранней Вселенной, чем подходы, предполагающие построение временной шкалы и её эволюцию. Поскольку похожие подходы использовались и физиками-частицами, Пиментел и его коллеги попытались применить некоторые из их конструкций к космологической проблеме, центральной для их исследования.

История, рассказанная в статье, возникла, когда количество уравнений стало очень большим. Чтобы отслеживать происходящее, мы решили рисовать картинки терминов в уравнениях, а не писать формулы. Вглядываясь в эти картинки, мы в итоге увидели закономерность. У картинок была «собственная жизнь», и мы могли предсказать уравнения с помощью простого набора правил, включающих разрезание и раскрашивание картинок.

В своих теоретических анализах исследователи сначала рассмотрели кинематическое пространство заданного коррелятора (инструмента, измеряющего силу связи между двумя величинами). Затем они применили к этому коррелятору набор правил.

Идея состоит из нескольких частей: сначала мы рассматриваем кинематическое пространство заданного коррелятора. Затем мы применяем к нему набор правил: «Мы разрезали его, рисовали трубки (или, альтернативно, триангулировали его), а затем применяли некоторый, казалось бы, эзотерический рецепт роста этих трубок, их слияния, поглощения и т.д.». Если принять эти правила, то можно предсказать все термины, которые появляются в математически последовательном семействе уравнений. Решения этих уравнений — которые зависели только от пространственных разделений или кинематики корреляторов — являются временными интегралами. В этом смысле время возникает. Появление этой структуры намекает, что существуют другие способы организации этих вычислений без привлечения явной временной эволюции.

Эта недавняя работа Пиментела и его коллег предлагает более простой подход к пониманию и описанию сложных космологических корреляций. Их предложенный фреймворк согласуется с другими темами, уходящими корнями в квантовую гравитацию, такими как использование граничных наблюдаемых и возникновение пространства-времени, и потенциально может способствовать вневременному описанию космологии.

Мы ввели новый набор методов для вычисления космологических корреляторов ранней Вселенной, заимствуя из других областей теоретической физики. Мы ожидаем, что многие из этих методов будут широко применимы за пределами игрушечных моделей, описанных в письме. Использование методов из других областей вызвало интерес математиков и физиков-частиц, которые ищут способы применить свой опыт и внести вклад. Эти связи намекают, что, вероятно, можно использовать больше знаний в этих областях.

ИИ: Это исследование предлагает захватывающий взгляд на то, как время может «emerging» из более фундаментальных структур, что перекликается с некоторыми концепциями в квантовой гравитации. В 2025 году такие междисциплинарные подходы становятся всё более важными для решения сложнейших проблем фундаментальной физики.