Если вы когда-нибудь задавались вопросом, что было в самом начале, то ответ физиков может вас удивить: «Мы не знаем». Но мы можем заглянуть невероятно близко к этому моменту. Самая ранняя грань, которую только способна описать современная наука, носит название Планковской эпохи.
Представьте себе время, когда возраст Вселенной составлял не миллиарды лет, не одну секунду и даже не одну миллиардную долю секунды. Речь идет об интервале от 0 до 10⁻⁴³ секунды. Это число настолько мало, что его трудно вообразить: оно во столько же раз меньше одной секунды, во сколько раз секунда меньше нынешнего возраста Вселенной (примерно 13,8 миллиарда лет).
Мир, где правила квантовая гравитация
Что же представляла собой Вселенная в это неуловимое мгновение? Это был кипящий, нестабильный «коктейль» из чистой энергии. Её свойства описываются особыми величинами, названными в честь физика Макса Планка:
- Планковская энергия: частицы имели энергию порядка 10¹⁹ гигаэлектронвольт (ГэВ). Для сравнения, энергия, выделяемая при столкновении протонов в Большом адронном коллайдере, ниже в квадриллионы раз.
- Планковская температура: около 10³² Кельвин (100 миллионов миллиардов миллиардов градусов). Это максимальная температура, которая вообще может существовать в нашей физической реальности.
- Планковская длина: вся наблюдаемая сегодня Вселенная была сжата до Планковской длины — 10⁻³⁵ метров. Это в миллиарды раз меньше размера протона.
- Планковская плотность: вещество (точнее, энергия) имело чудовищную плотность около 10⁹⁷ кг/м³. При такой плотности вся материя современных триллионов галактик была бы сжата в точку размером меньше атома.
В этом масштабе привычные нам законы физики перестают работать по отдельности. Ключевая особенность Планковской эпохи заключается в том, что квантовые эффекты гравитации перестают быть незначительными.
В нашем мире гравитация — это «слабый игрок»: мы легко преодолеваем силу притяжения всей Земли, просто вставая со стула. Но на планковском масштабе гравитация становится такой же мощной и непредсказуемой, как и остальные силы. Пространство-время перестает быть гладкой тканью (как его описывал Эйнштейн), а превращается в бурлящую, пенящуюся «квантовую пену», где привычные понятия «до» и «после» или «здесь» и «там» теряют четкий смысл.
Теория всего
В эту эпоху три из четырех фундаментальных сил природы (электромагнитная, сильное и слабое ядерные взаимодействия) были объединены с гравитацией в единое «суперсиловое» поле. Физики называют это состояние Объединением или, в более сложных теориях (например, теории струн), даже более глобальной структурой.
Вселенная представляла собой идеально симметричную, но крайне нестабильную среду. И это состояние не могло длиться вечно. Оно было подобно карандашу, балансирующему на острие: малейшее воздействие должно было нарушить равновесие.
Конец начала: Нарушение симметрии
Планковская эпоха завершилась тогда, когда Вселенная расширилась до размеров, при которых гравитация «откололась» от общего котла сил. Этот процесс называется спонтанным нарушением симметрии.
Примерно так, как вода при охлаждении вдруг кристаллизуется в лед, меняя свои свойства, так и Вселенная при расширении и охлаждении сменила свое состояние. Гравитация обрела самостоятельность, а оставшиеся три силы сохранили временное единство в рамках так называемой Эпохи Великого объединения, наступившей сразу после Планковской.
Планковская эпоха
Изучение Планковской эпохи — это попытка создать «Теорию всего» — мост между общей теорией относительности (физикой больших величин) и квантовой механикой (физикой малого). Пока у нас нет экспериментальной возможности воспроизвести такие энергии в лаборатории. Однако существуют теории (петлевая квантовая гравитация, теория струн), которые пытаются описать, что происходило в это время.
Некоторые модели даже предполагают, что сама Планковская эпоха была не первым моментом, а результатом сжатия предыдущей вселенной (Большой отскок), или что время вообще не является фундаментальным свойством, а возникает из более глубоких квантовых структур.
Планковская эпоха — это горизонт нашего знания. Это место, где физика переходит в математическую философию. Но именно понимание этого короткого мига способно дать ответ на самый главный вопрос: «Как именно началась наша Вселенная?»