Вселенная расширяется, причём это расширение ускоряется. Наблюдения достаточно уверенно указывают на этот эффект, но с его объяснением всё гораздо сложнее.

Обычно в этой истории появляется тёмная энергия. В стандартной космологической модели на неё приходится около 68% энергетической плотности Вселенной. Однако само название скорее обозначает неизвестную причину ускоренного расширения, чем объясняет её. Кроме того, соответствующие расчёты плохо согласуются с квантовой теорией поля.

Физик Саввас Кушиаппас из Брауновского университета предложил другой вариант: возможно, часть эффектов, которые мы приписываем тёмной энергии, на самом деле возникает из квантовых свойств геометрии самой Вселенной.

В его модели существует необычное ограничение: размер Вселенной и скорость её расширения нельзя одновременно определить с произвольной точностью.

По сути, знакомый квантовый принцип неопределённости предлагается перенести на космологический масштаб.

Эта неопределённость меняет уравнения, которыми описывают расширение пространства, а вместе с ними — и то, как скорость этого расширения должна изменяться со временем.

В таком случае ускорение современной Вселенной может оказаться крупномасштабным проявлением фундаментальной квантовой неопределённости. Иначе говоря, эффект, который сейчас связывают с тёмной энергией, потенциально может содержать следы квантовой гравитации.

Именно квантовая гравитация остаётся одной из главных нерешённых задач современной физики. Общая теория относительности прекрасно описывает гравитацию, пространство-время и крупные структуры Вселенной. Квантовая механика столь же успешно работает с веществом и светом на малых масштабах.

Но объединить эти две картины в одну непротиворечивую теорию физикам пока не удалось.

Кушиаппас предполагает, что искать проявления квантовой гравитации можно не только на чрезвычайно малых масштабах. В его модели соответствующий эффект способен распространяться вплоть до космологического горизонта — границы области Вселенной, свет из которой в принципе доступен нашим наблюдениям.

Если идея верна, это особенно интересно потому, что квантовая гравитация перестаёт быть исключительно абстрактной теоретической проблемой. Её возможный след можно было бы искать в истории расширения Вселенной.

Это также изменило бы само представление о тёмной энергии. По крайней мере часть загадочного ускорения могла бы объясняться не неизвестной составляющей Вселенной, а изменённой квантовыми эффектами геометрией пространства.

У модели есть ещё одно любопытное следствие.

Кушиаппас рассмотрел вариант, при котором она способна изменить описание самого начала Вселенной. Вместо рождения из точки с бесконечной плотностью мог существовать более ранний этап сжатия, после которого Вселенная пережила своего рода отскок и начала расширяться.

Однако эти два эффекта в простейшей версии модели возникают при разных значениях одного из её ключевых параметров. Положительные значения меняют позднее расширение Вселенной так, что оно напоминает изменяющуюся со временем тёмную энергию. Достаточно отрицательные значения позволяют заменить начальную сингулярность сценарием отскока.

Это не означает, что новая модель уже решила проблему тёмной энергии, квантовой гравитации и Большого взрыва одновременно. Сам автор признаёт, что в ней остаются несогласованности и открытые вопросы.

Проверить идею помогут более точные наблюдения далёкой Вселенной. В частности, данные проектов DESI, «Евклид» и обсерватории имени Веры Рубин должны позволить точнее восстановить историю космического расширения.

И здесь ситуация становится особенно интересной: современные измерения уже вызывают вопросы о том, достаточно ли простейшей версии стандартной космологической модели для описания всей истории Вселенной.

По словам Кушиаппаса, похоже, что наблюдаемая сейчас история расширения не полностью согласуется с самой простой теорией, которой располагает современная космология.

Возможно, причина заключается в свойствах тёмной энергии. А возможно, в этих наблюдениях уже скрываются первые доступные нам проявления квантовой гравитации.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.