Опрос охватил главные нерешенные вопросы современной физики – от природы темной материи и темной энергии до черных дыр, квантовой гравитации и происхождения времени. При этом по большинству вопросов физики так и не пришли к единому мнению.
Началась ли Вселенная с Большого взрыва?
Один из первых вопросов касался Большого взрыва и того, можно ли считать его началом времени.
Здесь мнение ученых оказалось заметно более осторожным, чем распространенное представление о Большом взрыве как о моменте рождения Вселенной. 68% опрошенных считают, что Большой взрыв описывает горячее и плотное состояние Вселенной и ее последующую эволюцию, но сам по себе не дает ответа на вопрос, началось ли тогда время.
Еще 5% участников считают Большой взрыв абсолютным началом времени, но не связывают это с сингулярностью. Около 20% принимают одновременно идею сингулярности и начала времени. Остальные придерживаются других гипотез либо не имеют определенного мнения.
Ученых также спросили о первых мгновениях существования Вселенной. Наблюдаемая Вселенная выглядит удивительно однородной: каждая ее часть выглядит примерно одинаково.
Одной из теорий, объясняющих это, является теория космической инфляции, согласно которой через долю секунды после Большого взрыва Вселенная подверглась колоссальному расширению. С этим сценарием согласились чуть более половины (51%).
Остальные физики больше склоняются к различным альтернативным моделям, в том числе к гипотезе циклической Вселенной, согласно которой за расширением могут следовать сжатие и новый цикл.
Что скрывается в темной материи и темной энергии
Следующий блок вопросов касался трех крупнейших загадок современной космологии: природы темной материи, темной энергии и так называемого напряжения Хаббла.
Темная материя – гипотетическая форма материи, которую ученые вводят для объяснения движения галактик и формирования крупномасштабной структуры Вселенной.
Наблюдения показывают, что видимого вещества недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемую картину.
Среди возможных объяснений рассматриваются неизвестные частицы, изменения в теории гравитации и другие варианты. Наибольшую долю голосов – 21% – получила идея, согласно которой решение может оказаться комбинацией нескольких существующих гипотез. При этом 17% физиков сделали ставку на пока не обнаруженные частицы малой массы, а 12% – на изменение представлений о гравитации.
Еще сложнее ситуация с темной энергией. Она используется для объяснения ускоренного расширения Вселенной. Согласно одному из основных вариантов, темная энергия представляет собой постоянное свойство самого пространства – так называемую космологическую постоянную. Другая гипотеза предполагает, что ее свойства могут меняться со временем.
В исходном опросе 24% физиков поддержали космологическую постоянную, а 26% – изменяющуюся во времени темную энергию. Таким образом, ни один из вариантов не получил даже простого большинства.
Отдельная проблема – напряжение Хаббла. Скорость расширения Вселенной можно рассчитывать разными способами. Один из них основан на данных о реликтовом излучении, оставшемся от ранней Вселенной, другой – на наблюдениях сверхновых и других объектов, которые позволяют оценивать расстояния. Полученные значения не совпадают.
Среди физиков нет единого мнения о причине расхождения: одни видят проблему в измерениях, другие допускают изменение свойств темной энергии, а третьи рассматривают возможность пока неизвестных эффектов квантовой гравитации.
Даже в квантовой механике нет полного согласия
Квантовая механика особенно актуальна для изучения Большого взрыва, черных дыр и даже фундаментальной теории гравитации.
Первый вопрос касался квантовой механики как таковой, то есть природы реальности. Ведущей идеей, которую также разделяют 36% опрошенных, является копенгагенская интерпретация, согласно которой природа по своей сути вероятностна. Известной альтернативой является интерпретация "множества миров", согласно которой каждое наблюдение за квантовым состоянием порождает параллельную вселенную.
Отдельный блок вопросов был посвящен черным дырам. Общая теория относительности предполагает, что попавшее за горизонт событий вещество уже не может выбраться наружу. Квантовая механика, однако, ставит перед физиками проблему сохранения информации.
41% опрошенных считают, что вещество, попавшее в черную дыру, в конечном итоге оказывается сжатым в сингулярности в ее центре. При этом лишь небольшая часть ученых рассматривает варианты вроде перехода в белую дыру или другую Вселенную.
Что касается информационного парадокса черных дыр, большинство участников связывает его решение с излучением Хокинга – теоретическим процессом, благодаря которому черные дыры могут постепенно терять энергию.
Какую теорию выбрать для квантовой гравитации?
Одной из крупнейших нерешенных задач физики остается объединение общей теории относительности и квантовой механики в единую теорию квантовой гравитации.
И здесь консенсуса также нет.
29% участников вообще не смогли выбрать какой-либо вариант. Среди остальных наиболее популярной оказалась теория струн – ее поддержали 19% физиков. Еще 18% считают, что гравитация вообще не является квантовой, а 13% поддерживают петлевую квантовую гравитацию.
Таким образом, даже наиболее популярная теория не набрала четверти голосов.
Почему фундаментальные константы имеют именно такие значения?
Последний вопрос оказался одним из самых философских. Вселенная обладает фундаментальными константами, значения которых определяют свойства материи и физических взаимодействий. Если бы некоторые из них были другими, знакомая нам форма жизни могла бы оказаться невозможной.
Почему же эти значения именно такие?
Более четверти физиков ответили, что это просто фундаментальные факты, которые не требуют дополнительного объяснения.
20% связали значения констант с идеей мультивселенной: существует множество вселенных с разными параметрами, а мы наблюдаем именно такие значения потому, что они допускают существование жизни.
Еще 16% считают, что значения констант должны следовать из некоего фундаментального физического принципа, который не допускает других вариантов.
Около 9% участников рассматривают разумного создателя как возможное объяснение, а 6% – гипотезу космического дарвинизма. Согласно последней, вселенные могут порождать новые вселенные, а наиболее успешными в этом смысле оказываются те, которые способны создавать черные дыры.
Почему отсутствие согласия – не обязательно плохой знак
Авторы исследования подчеркивают: отсутствие единого мнения не означает, что современная физика находится в тупике.
"Самый поразительный результат заключается в том, насколько мало стандартных ответов в фундаментальной физике пользуются подавляющей поддержкой: большинство не достигает даже большинства", – отметил руководитель исследования Ниайеш Афшорди, сотрудник Perimeter Institute и профессор Университета Ватерлоо.
По его словам, дело не в том, что физики запутались. Напротив, отсутствие консенсуса показывает, что передний край науки продолжает активно развиваться.
Исследование также демонстрирует, насколько много вопросов остается открытыми даже в тех областях, которые часто воспринимаются как уже хорошо изученные. По мнению авторов, разногласия указывают на необходимость новых наблюдений, более точных экспериментов и развития теоретических моделей.
