Как все началось? Это вопрос, над которым люди размышляли на протяжении тысячелетий. Примерно за последнее столетие наука нашла ответ: Большой взрыв.
Это описывает, как Вселенная родилась в результате катастрофического взрыва почти 14 миллиардов лет назад. За крошечную долю секунды наблюдаемая Вселенная выросла на величину, эквивалентную расширению бактерии до размеров Млечного Пути. Ранняя Вселенная была необычайно горячей и чрезвычайно плотной. Но как мы узнаем, что это произошло?
Давайте сначала посмотрим на доказательства. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются друг от друга, что привело к пониманию того, что Вселенная расширяется. Если бы мы перевели время назад, к моменту зарождения космоса, расширение пошло бы вспять, и галактики упали бы друг на друга 14 миллиардов лет назад. Этот возраст хорошо согласуется с возрастом древнейших астрономических объектов, которые мы наблюдаем.
Первоначально эта идея была встречена со скептицизмом — и на самом деле название придумал скептик, английский астроном Фред Хойл. Хойл саркастически отверг эту гипотезу как «Большой взрыв» во время интервью радио BBC 28 марта 1949 года.
Затем, в 1964 году, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили особый тип излучения, заполняющего все пространство. Это стало известно как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB). Это своего рода послесвечение Большого взрыва, произошедшее, когда Вселенной было всего 380 000 лет.
Реликтовое излучение открывает окно в горячие и плотные условия в начале Вселенной. За свое открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1978 года.
Совсем недавно эксперименты на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК), пролили свет на условия, еще более близкие ко времени Большого взрыва. Наше понимание физики при таких высоких энергиях предполагает, что в самые первые моменты после Большого взрыва четыре фундаментальные силы физики, существующие сегодня, изначально были объединены в одну силу.
В настоящее время четырьмя силами являются гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, эти силы разделила серия драматических изменений, называемых фазовыми переходами (например, кипение или замерзание воды).
Эксперименты на ускорителях частиц показывают, что последний из этих фазовых переходов произошел через несколько миллиардных долей секунды после Большого взрыва. Это был распад электрослабого объединения, когда электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие перестали сочетаться. Это когда вся материя во Вселенной приобрела свою массу.
Двигаясь дальше во времени, Вселенная наполнена странным веществом, называемым кварк-глюонной плазмой. Как следует из названия, этот «первичный суп» состоял из кварков и глюонов. Это субатомные частицы, ответственные за сильное ядерное взаимодействие. Кварк-глюонная плазма была искусственно создана в 2010 году в Брукхейвенской национальной лаборатории и в 2015 году на БАКе.
Кварки и глюоны имеют сильное притяжение друг к другу и сегодня связаны вместе как протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, являются строительными блоками атомов. Однако в горячих и плотных условиях ранней Вселенной они существовали независимо.
Кварк-глюонная плазма просуществовала недолго. Всего через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась и охлаждалась, кварки и глюоны слипались в протоны и нейтроны — ситуация, которая сохраняется и сегодня. Это событие называется конфайнментом кварков.
По мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной во Вселенной стало меньше фотонов высокой энергии (частиц света), чем было раньше. Это запускает процесс, называемый нуклеосинтезом Большого Взрыва (BBN). Это когда первые атомные ядра — плотные комки материи, состоящие из протонов и нейтронов и находящиеся в центрах атомов, — сформировались в результате реакций ядерного синтеза, подобных тем, которые питают Солнце.
Раньше, когда во Вселенной было больше фотонов высокой энергии, любые образовавшиеся атомные ядра были бы быстро уничтожены ими (процесс, называемый фотораспадом). BBN прекратился всего через несколько минут после Большого взрыва, но его последствия можно наблюдать и сегодня.
Наблюдения астрономов предоставили нам доказательства изначального содержания элементов, образующихся в этих реакциях синтеза. Результаты близко согласуются с теорией BBN. Если бы мы продолжили, то через почти 14 миллиардов лет мы бы достигли ситуации, которая существует сегодня. Но насколько близко мы можем подойти к пониманию того, что происходило в момент самого Большого взрыва?
У ученых нет прямых доказательств того, что произошло до распада электрослабого объединения (когда электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие перестали сочетаться). При таких высоких энергиях и в ранние времена мы можем только смотреть на тайну Большого взрыва. Что же предлагает теория?
Когда мы возвращаемся во времени через историю космоса, расстояния и объемы сокращаются, а средняя плотность энергии растет. При Большом взрыве расстояния и объёмы падают до нуля, все части Вселенной падают друг на друга, а плотность энергии Вселенной становится бесконечной. Наши математические уравнения, описывающие эволюцию космоса и расширение космоса, наводняются нулями и бесконечностями и перестают иметь смысл.
Мы называем это сингулярностью. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна описывает, как формируется пространство-время. Пространство-время — это способ описания трехмерной геометрии Вселенной, смешанной со временем. Искривление пространства-времени порождает гравитацию.
Но математика предполагает, что во Вселенной есть места, где кривизна пространства-времени становится неограниченной. Эти места известны как сингулярности. Один из таких примеров можно найти в центре черной дыры. В этих местах теория общей относительности дает сбой.
С 1965 по 1966 год британские физики-теоретики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз представили ряд математических теорем, демонстрирующих, что пространство-время расширяющейся Вселенной должно заканчиваться сингулярностью в прошлом: сингулярностью Большого взрыва.
Пенроуз получил Нобелевскую премию в 2020 году. Хокинг скончался в 2018 году, и Нобелевские премии не вручаются посмертно. Пространство и время появляются в сингулярности Большого взрыва, поэтому вопросы о том, что происходит «до» Большого взрыва, четко не определены. Насколько наука может сказать, никакого «прежде» не было; Большой Взрыв – это начало времени.
Однако природа не может быть точно описана одной только общей теорией относительности, хотя последняя существует уже более 100 лет и не была опровергнута. Общая теория относительности не может описать атомы, ядерный синтез или радиоактивность. Вместо этого эти явления рассматриваются квантовой теорией.
Теории «классической» физики, такие как теория относительности, являются детерминистическими. Это означает, что определенные начальные условия имеют определенный результат и, следовательно, являются абсолютно предсказуемыми. Квантовая теория, напротив, является вероятностной. Это означает, что определенные начальные условия во Вселенной могут иметь несколько результатов.
Квантовая теория в некоторой степени предсказывает, но в вероятностном смысле. Результатам присваивается вероятность существования. Если математическое распределение вероятностей имеет резкий пик при определенном исходе, то ситуация хорошо описывается «классической» теорией, такой как общая теория относительности. Но не все системы такие. В некоторых системах, например в атомах, распределение вероятностей разбросано и классическое описание неприменимо.
А как насчет гравитации? В подавляющем большинстве случаев гравитация хорошо описывается классической физикой. Классическое пространство-время гладко. Однако когда кривизна становится экстремальной, вблизи сингулярности, квантовую природу гравитации нельзя игнорировать. Здесь пространство-время уже не гладкое, а корявое, похожее на ковер, который издалека кажется гладким, но вблизи полон волокон и нитей.
Таким образом, вблизи сингулярности Большого взрыва структура пространства-времени перестает быть гладкой. Математические теоремы предполагают, что пространство-время переполняется «корявыми» элементами: крючками, петлями и пузырями. Эта быстро меняющаяся ситуация называется пеной пространства-времени.
В пене пространства-времени причинность неприменима, потому что в пространстве-времени существуют замкнутые петли, в которых будущее события является также его прошлым (поэтому его результат также может быть его причиной). Вероятностная природа квантовой теории предполагает, что, когда распределение вероятностей равномерно распределено, все результаты одинаково возможны, и удобное понятие причинности, которое мы связываем с классическим пониманием физики, теряется.
Следовательно, если мы вернемся в прошлое, как раз перед тем, как мы столкнемся с сингулярностью Большого взрыва, мы окажемся в эпоху, когда квантовые эффекты гравитации доминируют и причинно-следственная связь не применима. Это называется эпохой Планка.
Время перестает быть линейным, идущим из прошлого в будущее, и вместо этого становится запутанным, хаотичным и случайным. Это означает вопрос «почему произошел Большой взрыв?» не имеет смысла, поскольку вне причинности событиям не нужна причина, чтобы произойти.
Чтобы понять, как работает физика в такой сингулярности, как Большой взрыв, нам нужна теория поведения гравитации в соответствии с квантовой теорией. К сожалению, у нас его нет. На этом фронте предпринимается ряд усилий, таких как петлевая квантовая гравитация и теория струн с ее различными воплощениями.
Однако эти усилия в лучшем случае являются неполными, поскольку проблема общеизвестна своей сложностью. Это означает, что пена пространства-времени обладает тотемической, мощной мистикой, очень похожей на древний Хаос Гесиода, который, как верили греки, существовал вначале.
Так как же наша расширяющаяся и в значительной степени классическая Вселенная вообще смогла выбраться из пены пространства-времени? Это подводит нас к космической инфляции. Последний определяется как период ускоренного расширения ранней Вселенной. Впервые оно было предложено российским физиком-теоретиком Алексеем Старобинским в 1980 году и параллельно, в том же году, американским физиком Аланом Гутом, который и придумал это название.
Согласно наблюдениям, инфляция делает Вселенную большой и однородной. Это также заставляет Вселенную быть пространственно плоской, что в противном случае является нестабильной ситуацией, но это также было подтверждено наблюдениями. Более того, инфляция обеспечивает естественный механизм создания первичных нарушений плотности Вселенной, которые необходимы для формирования таких структур, как галактики и скопления галактик.
Теория подтверждена
Точные наблюдения космического микроволнового фона в последние десятилетия убедительно подтвердили предсказания инфляции. Мы также знаем, что Вселенная действительно может подвергаться ускоренному расширению, потому что за последние несколько миллиардов лет она начала это делать снова.
Какое это имеет отношение к пене пространства-времени? Что ж, оказывается, что если условия для инфляции возникают (случайно) в участке флуктуирующего пространства-времени, как это может произойти с пеной пространства-времени, то эта область раздувается и начинает соответствовать классической физике.
Согласно идее, впервые предложенной российско-американским физиком Андреем Линде, инфляция является естественным — и, возможно, неизбежным — следствием хаотичных начальных условий в ранней Вселенной.
Дело в том, что наша классическая Вселенная могла возникнуть из хаотических условий, подобных тем, которые существуют в пене пространства-времени, испытав первоначальный всплеск инфляции. Это положило бы начало расширению Вселенной. Фактически, наблюдения астрономов за реликтовым излучением предполагают, что первоначальный импульс носит взрывной характер, поскольку во время инфляции расширение является экспоненциальным.
20 марта 2014 года Алан Гут лаконично объяснил это: «Обычно я описываю инфляцию как теорию «взрыва» Большого взрыва: она описывает движущий механизм, который мы называем Большим взрывом».
Итак, вот оно. 14-миллиардная история нашей Вселенной начинается с катастрофического взрыва повсюду в космосе, который мы называем Большим взрывом. Это вне всякого разумного сомнения. Этот взрыв на самом деле является периодом взрывного расширения, которое мы называем космической инфляцией. Но что происходит до инфляции? Это сингулярность пространства-времени, пена пространства-времени? Ответ по большому счету неизвестен.
На самом деле, это может быть даже непознаваемо, потому что существует математическая теорема, которая запрещает нам доступ к информации о начале инфляции, во многом подобно той, которая не позволяет нам узнать о недрах черных дыр. Итак, с нашей точки зрения, космическая инфляция — это Большой взрыв, взрыв, с которого все началось.
