Существовала ли гравитация до Большого взрыва?

Как гласит история, Исаак Ньютон сидел под деревом, думая о своем, когда яблоко упало ему на голову.

Вместо того чтобы проклинать дерево за такое коварное поведение, ученый задался вопросом: что заставило яблоко упасть? Почему яблоко не полетело вверх вместо этого? Что заставило его упасть на голову, а не просто улететь в облака? Какая сила тянет его вниз?

Этот ход мыслей в конечном итоге привел к одному из самых важных открытий в физике — фундаментальной силе гравитации.

Сегодня мы искренне и безоговорочно принимаем существование гравитации. Это сила, которая держит нас всех в буквальном смысле. Это сила, которая гарантирует, что мы твердо останемся на Земле, а не улетим в космос. Даже движение планет вокруг Солнца, вращение Луны вокруг Земли и образование небесных тел происходят благодаря непреодолимой силе гравитации.

Однако действительно ли гравитация существовала всегда? Как было раньше,  до появления времени и пространства? Существовала ли гравитация в период до Большого взрыва? Чтобы ответить на эти глубокие и уместные вопросы, мы должны определенно разобраться в основах.

Что такое гравитация?

Согласно Исааку Ньютону, гравитация — это сила притяжения, существующая между любыми двумя телами — небесными или земными, не важно. Каждый объект во вселенной оказывает гравитационное воздействие на другие объекты, сила которой прямо пропорциональна массе объекта.

Например, когда Ньютон сел под деревом, и яблоко упало ему на голову, яблоко оказало на землю силу притяжения, но благодаря астрономически большей массе земли планета выиграла в этом перетягивании каната. На самом деле, наша планета с незапамятных времен выигрывает в этой постоянной игре на перетягивание каната против всех нас, что ставит нас перед большим вопросом: было ли подобное  перетягивание каната до и во время Большого взрыва?

Большой взрыв

По словам ученых, ранее вся материя во вселенной была ограничена чрезвычайно маленьким пространством, сложенным и сжатым поверх самого себя. Это было пространство бесконечной плотности и температуры, известное как гравитационная сингулярность.

Оно содержало буквально всю массу вселенной и было горячим плотным шаром размером примерно с футбольный мяч. Затем эта масса раздулась, как гигантский воздушный шар, быстрее скорости света в явлении, которое обычно называют Большим взрывом.

Теперь некоторые из вас могут думать, подождите минуту … быстрее, чем скорость света?

Как вы, наверное, слышали бесчисленное множество раз, ничто не может быть быстрее скорости света. Теория относительности Эйнштейна установила постоянную скорость света, но сделала это предположение только для объекта, путешествующего в пространстве-времени.

В случае Большого взрыва, есть небольшая разница. Взрыв повлек за собой расширение самого пространства, а не движение некоторой массы в пространстве. Например, представьте, что само пространство — это космический корабль. Все объекты во вселенной являются пассажирами на этом корабле. Теория относительности Эйнштейна утверждает, что ограничение скорости для всех пассажиров на корабле — это скорость света. Никто на корабле не может двигаться быстрее света.

Однако теория Эйнштейна ничего не говорит о скорости самого космического корабля. Корабль может двигаться быстрее скорости света и при этом поддерживать скорость внутри себя. Следовательно, не нарушая никаких законов физики, Большой взрыв создал бесконечно большую вселенную, в которой мы живем сегодня.

Гравитация перед Большим Взрывом?

Давайте мысленно установим часы на время, равное одной секунде до Большого взрыва, прямо перед тем, как колесо истории было приведено в движение. Как упоминалось ранее, вся вселенная была ограничена невероятно маленьким пространством, называемым сингулярностью. Вокруг него было небытие. Вопрос в том, как всей вселенной удалось оставаться в таком ограниченном пространстве? Должно быть, было что-то неизвестное, какая-то сила, удерживающая все это вместе.

В этом случае самый очевидный ответ — гравитация! На всю материю действовала бесконечная гравитационная сила, так что ей удалось удерживать всю вселенную в гравитационной сингулярности. Конечно, это всего лишь теория.

Она является лишь одним из объяснений того, что было до Большого взрыва, основанного на теории относительности Эйнштейна. Некоторые ученые критикуют эту идею, поскольку она не учитывает квантовую механику. Потому что когда мы начинаем измерять частицы в миллионы раз меньше ширины человеческого волоса, мы попадаем в квантовый мир, которая не обязательно подчиняется традиционным законам физики.

В принципе, «любое время» до Большого взрыва будет всегда не совсем правильным. Все, что мы предсказываем о времени до Большого взрыва, будет приблизительным и никогда не сможет быть на 100% точным. Однако мы можем сделать более обоснованный прогноз в первый момент Большого взрыва, когда все пространство-время расширилось.

Гравитационные волны

Эйнштейн утверждал, что можно было доказать существование гравитационной силы во время Большого взрыва, ища гравитационные волны. Эти волны могут быть поняты как рябь, созданная некоторыми из самых мощных и энергичных событий во вселенной.

Теория Эйнштейна показала, что огромные катастрофические события могут разрушить структуру пространства-времени, что приведет к возникновению «волн», исходящих от источника. Чем более сильное событие, тем больше будет разрушение и, в свою очередь, тем больше будет его гравитационная волна. Что может быть большим космологическим событием, чем сам Большой взрыв? Конечно, расширение Вселенной со скоростью, превышающей скорость света, приведет к появлению существенно сильных гравитационных волн.

Однако, поскольку Вселенной около 14 миллиардов лет, обнаружить волну, которая, возможно, начала свое путешествие давным-давно, кажется почти невозможным. Нужно какое-то чрезвычайно чувствительное оборудование, которое могло бы зафиксировать эти древние волны.

Фактически, гравитационные волны, которые могли возникнуть в результате Большого взрыва, уменьшились бы по интенсивности примерно в миллиард раз после всех прошедших лет. Ученые утверждают, что разрушение, вызванное такими старыми волнами, будет меньше, чем размер ядра атома.

Эксперимент по обнаружению гравитационных волн был невозможен до 2015 года. 14 сентября 2015 года лаборатория LIGO, занимающаяся наблюдением гравитационных волн, успешно установила физический контакт с гравитационными волнами. Их чувствительный аппарат смог обнаружить легкое нарушение, вызванное столкновением двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет.

Эксперимент в LIGO, который обнаружил гравитационные волны, наконец, дал эмпирическое доказательство существования гравитационных волн. Такое конкретное доказательство позволило научному сообществу экстраполировать существование этих волн, вызванных первым катастрофическим событием — Большим взрывом.

Те же самые детекторы ждут в ожидании, чтобы захватить самые первые гравитационные волны, которые произошли от Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Таким образом, мы можем быть достаточно уверены в том, что во время Большого взрыва существовала гравитация, и первые признаки этой пульсации возрастом в 14 миллиардов лет в конечном итоге подтвердят это.

С другой стороны, существование гравитации до момента сотворения все еще не может быть доказано окончательно, поскольку мы не нашли окончательной теории, объясняющей Вселенную до появления пространства-времени. Возможно, нам придется подождать, пока «следующий Эйнштейн» представит новый набор революционных уравнений, которые смогут объяснить состояние вселенной, прежде чем понятие «пространство-время» вообще появилось.