Невидимая связь
Предложена новая теория как менялась Вселенная на заре существования
Исследователи Казанского федерального университета опубликовали работу, в которой предложили новое объяснение того, как устроена ранняя Вселенная. Они попытались связать в одной теории три важные вещи: загадочные частицы-«невидимки» (аксионы), неуловимую среду — эфир, который раньше считали несуществующим, и привычную нам материю, из которой состоят звезды, планеты и мы сами.
Фото: greg rakozy / unsplash.com
Фото: greg rakozy / unsplash.com
Что происходило на заре Вселенной
В работе рассматривается очень ранний этап жизни Вселенной — момент перехода между двумя эпохами. Сначала Вселенная бешено расширялась (это называют инфляцией), а потом переключилась на более спокойное расширение, когда начали появляться вещество и излучение. В научной литературе этот переход связывают с рождением огромного количества тяжелых частиц, которые словно «затормозили» бесконтрольное расширение.
«На графиках эволюции радиуса Вселенной видна точка перегиба. В районе этой точки произошли космический фазовый переход и связанная с ним смена эпох. Примерно тогда же возникло и реликтовое излучение»,— объясняет профессор кафедры теории относительности и гравитации Института физики Александр Балакин.
Что рождалось в тот переломный момент
С точки зрения физики такой переход сопровождается рождением колоссального количества частиц. Среди них — тяжелые частицы (кварки, протоны, нейтроны — то, из чего состоят атомы), легкие частицы (электроны и их антиподы — позитроны) и невесомые нейтрино (эти пронизывают все вокруг и почти ни с чем не взаимодействуют). Все эти частицы в квантовой физике описываются так называемыми спинорными полями (можно представлять их как особые математические объекты, отвечающие за частицы с половинным спином, такие как электроны и кварки). Процесс катастрофического роста числа частиц в ранней Вселенной ученые называют «спонтанной спиноризацией».
Одновременно происходило резкое увеличение числа других частиц — бозонов и псевдобозонов. Среди них особое значение имеют аксионы. В последующие эпохи аксионы сформировали основную часть темной материи, а обычные частицы (фермионы) стали строительными блоками для звезд, галактик и всего остального.
Главное новшество: «эффективная метрика»
Центральный элемент предложенной теории — так называемая эффективная метрика. Чтобы понять это, нужно сделать небольшое отступление.
«Первую в истории физики “эффективную метрику” предложил немецкий физик Вальтер Гордон еще в 1923 году,— рассказывает профессор.— Если взять обычное пространство—время и добавить в него информацию о среде, в которой движется свет (например, о воде или стекле), то можно построить фиктивное пространство, в котором свет летит по прямой, но эта “прямая” учитывает все преломления и отражения в реальной среде. Этот математический трюк сильно упрощает расчеты».
В новой работе эту идею применили к аксионам. В качестве «среды» выступил динамический эфир (гипотетическая среда, заполняющая все пространство), а в качестве поправки — функция, зависящая от количества фермионов.
«Таким образом, мы учли, как спинорное поле (фермионы) влияет на аксионное поле (темную материю). А динамический эфир стал своеобразным посредником в этом взаимодействии»,— отмечает ученый.
Как управлять аксионами
Последние десять лет исследователи строили «теорию управления» поведением аксионных систем. Управление осуществляется через поле динамического эфира.
«Два года назад мой ученик Амир Шакирзянов успешно защитил диссертацию на эту тему. Затем мы расширили идею — добавили в потенциал аксионного поля управляющую функцию, зависящую от спинорных инвариантов. А потом ввели такую же управляющую функцию и в кинетическую часть описания аксионного поля — как раз в виде ядра эффективной метрики. Теперь проблема управления получила завершенный статус»,— комментирует Балакин.
Эффективная масса: когда у невесомой частицы появляется вес
Для фермионов (например, электронов или нейтрино) физики используют два понятия: собственная масса покоя (то, сколько весит частица сама по себе) и эффективная масса (как частица ведет себя под внешним воздействием). Самый интересный пример — нейтрино. Считается, что у нейтрино собственная масса покоя равна нулю. Но если на него воздействовать внешним полем (например, аксионным), то оно начинает двигаться так, как будто у него есть масса. Это и есть аксионно-индуцированная эффективная масса фермиона.
Проблема массы нейтрино — известный научный сюжет, который обсуждают и теоретики, и экспериментаторы. Она связана с явлением «нейтринных осцилляций» (когда нейтрино одного типа самопроизвольно превращаются в нейтрино другого типа).
Эффект экранирования: аксионы есть, но их не видно
Наиболее интересная деталь возникает в одном частном случае. Профессор проводит аналогию с электродинамикой плазмы. «В плазме хорошо известен эффект экранирования заряда. Заряд есть, но электрическое поле вокруг него исчезает, как только вы отходите на определенное расстояние. Здесь ситуация похожая: аксионы есть, но их гравитационное поле в некотором смысле “экранировано” за счет взаимодействия с эфиром»,— объясняет Балакин.
Ключевой вывод: эфир включает и выключает рождение частиц
Ученые обращают внимание на обратное влияние эволюции спинорного поля на космодинамику. В одном из полученных решений число фермионов сначала растет, а потом снижается.
«Мы фактически утверждаем, что представили математически непротиворечивую модель, согласно которой именно динамический эфир сначала запускает, а затем прекращает процесс интенсивного рождения частиц. В фазе активного рождения число появившихся частиц аномально растет. После прекращения процесса рост останавливается, а при расширении Вселенной плотность частиц уменьшается, потому что их общее число распределяется по возрастающему объему»,— поясняет он.
Почему можно верить этим расчетам
Исследователи подчеркивают роль полученных ими точных решений для упрощенных моделей.
«Решения в виде интегралов и даже графики убеждают читателей не до конца. Но когда перед глазами ответы в виде известных аналитических функций, любой скептик вынужден согласиться»,— уверен профессор.
Говоря о дальнейшей проверке разработанной теории, Балакин честно признается, что он сам теоретик, но видит возможные пути проверки. «Начиная с 1997 года я разрабатывал теорию, суть которой — в описании взаимодействия различных полей с кривизной пространства—времени. В работе, опубликованной в конце 2025 года, мы показали, что взаимодействие спинорного поля с кривизной могло спровоцировать “спонтанную спиноризацию” ранней Вселенной. То, что сформировала кривизна, отразилось на начальном распределении плотности. А отпечаток этого распределения виден на карте температуры реликтового излучения — по данным космической обсерватории “Планк”. В первую очередь я бы занялся этой задачей»,— заключил специалист.