Все началось с Большого взрыва — поиски разгадки тайны рождения Вселенной

Как все началось? Это вопрос, над которым люди размышляли тысячи лет. За последнее столетие или около того наука нашла ответ: Большой взрыв.

Он описывает, как вселенная родилась в результате катастрофического взрыва почти 14 миллиардов лет назад. За крошечную долю секунды наблюдаемая вселенная выросла с эквивалента бактерии, до размеров Млечного Пути. Ранняя вселенная была необычайно горячей и чрезвычайно плотной. Но откуда мы знаем, что это произошло?

Давайте сначала рассмотрим 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 стрелки часов назад к моменту рождения космоса, расширение пошло бы вспять, и галактики упали бы друг на друга 14 миллиардов лет назад. Этот возраст прекрасно согласуется с возрастом старейших астрономических объектов, которые мы наблюдаем.

Поначалу эта идея была встречена скептически, и именно скептик, английский астроном Фред Хойл, придумал ей название. Хойл с сарказмом отверг гипотезу «Большого взрыва» в интервью радиостанции BBC 28 марта 1949 года.

Затем, в 1964 году, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили особый тип излучения, заполняющий все пространство. Это стало известно как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB, cosmic microwave background) или реликтовое излучение. Это своего рода послесвечение Большого взрыва, высвободившееся, когда космосу было всего 380 000 лет.

Реликтовое излучение открывает окно в горячие, плотные условия в начале Вселенной. За свое открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1978 году.

Совсем недавно эксперименты на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК), пролили свет на условия, еще более близкие к моменту Большого взрыва. Наше понимание физики при этих высоких энергиях предполагает, что в самые первые моменты после Большого взрыва четыре фундаментальные силы физики, которые существуют сегодня, изначально были объединены в одну силу.

Четыре силы, существующие сегодня, — это гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. По мере расширения и остывания Вселенной, ряд драматических изменений, называемых фазовыми переходами (вроде кипения или замерзания воды), разделили эти силы.

Эксперименты на ускорителях частиц показывают, что через несколько миллиардных долей секунды после Большого взрыва произошел последний из этих фазовых переходов. Это был распад электрослабого объединения, когда электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие перестали быть едиными. Это было тогда, когда вся материя во вселенной приобрела свою массу.

Двигаясь дальше во времени, вселенная заполняется странной субстанцией, называемой кварк-глюонной плазмой. Как следует из названия, этот «первичный суп» состоял из кварков и глюонов. Это субатомные частицы, которые отвечают за сильное ядерное взаимодействие. Кварк-глюонная плазма была искусственно создана в 2010 году в Брукхейвенской национальной лаборатории и в 2015 году на Большом адронном коллайдере.

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 слиплись в протоны и нейтроны, и эта ситуация сохраняется и по сей день. Это событие называется удержанием кварков.

По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась еще больше, во Вселенной стало меньше высокоэнергетических фотонов (частиц света), чем было раньше. Это стало пусковым механизмом для процесса, называемого нуклеосинтезом Большого взрыва (BBN, Big Bang nucleosynthesis). Это произошло, когда первые атомные ядра — плотные сгустки материи, состоящие из протонов и нейтронов и находящиеся в центрах атомов — образовались в результате реакций ядерного синтеза, подобных тем, которые питают Солнце.

Когда во Вселенной было больше фотонов высокой энергии, любые образовавшиеся атомные ядра быстро разрушались бы 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 хорошо согласуются с теорией BBN. ​​Если бы мы продолжили, то за почти 14 миллиардов лет мы бы достигли ситуации, которая существует сегодня. Но насколько близко мы можем подойти к пониманию того, что происходило около момента самого Большого взрыва?

У ученых нет прямых доказательств того, что было до распада электрослабого объединения (когда электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие перестали объединяться). При таких высоких энергиях и в столь ранние времена мы можем только смотреть на тайну Большого взрыва. Так что же предлагает теория?

Когда мы возвращаемся назад во времени через историю космоса, расстояния и объемы сокращаются, в то время как средняя плотность энергии растет. При Большом взрыве расстояния и объемы уменьшаются до нуля, все части вселенной падают друг на друга, и плотность энергии вселенной становится бесконечной. Наши математические уравнения, которые описывают эволюцию пространства и расширение космоса, наполняются 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 общая теория относительности терпит крах.

В период 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, а Нобелевские премии посмертно не присуждаются. Пространство и время появляются в сингулярности Большого взрыва, поэтому вопросы о том, что происходит «до» Большого взрыва, не определены достаточно четко. Насколько может судить наука, никакого «до» не существует; Большой взрыв — это начало времени.

Однако природа не может быть точно описана только общей теорией относительности, хотя последняя существует уже более 100 лет и не была опровергнута. Общая теория относительности не может описывать атомы, ядерный синтез или радиоактивность. Вместо этого эти явления рассматриваются квантовой теорией.

Теории из «классической» физики, такие как теория относительности, являются детерминированными. Это означает, что определенные начальные условия имеют определенный результат и, следовательно, являются абсолютно предсказательными. Квантовая теория, с другой стороны, является вероятностной. Это означает, что определенные начальные условия во вселенной могут иметь несколько результатов.

Квантовая теория в некоторой степени предсказывает, но вероятностным образом. Результатам присваивается вероятность существования. Если математическое распределение вероятностей резко достигает пика при определенном результате, то ситуация хорошо описывается «классической» теорией, такой как общая теория относительности. Но не все системы такие. В некоторых системах, например, атомах, распределение вероятностей разбросано и классическое описание неприменимо.

А как насчет гравитации? В подавляющем большинстве случаев гравитация хорошо описывается классической физикой. Классическое пространство-время гладкое. Однако, когда кривизна становится экстремальной, вблизи сингулярности, то квантовую природу гравитации нельзя игнорировать. Здесь пространство-время больше не гладкое, а узловатое, похожее на ковер, который издалека выглядит 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 «шишковатыми» особенностями: крючками, петлями и пузырями. Эта быстро флуктуирующая ситуация называется пеной пространства-времени.

В пространственно-временной пене причинность не применяется, поскольку в пространстве-времени существуют замкнутые петли, где будущее события также является их прошлым (поэтому их результат может быть и их 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.

Поэтому, если мы вернемся назад во времени, как раз перед тем, как мы столкнемся с сингулярностью Большого взрыва, мы обнаружим, что входим в эпоху, где квантовые эффекты гравитации доминируют, а причинность не применима. Это называется эпохой Планка.

Время перестает быть линейным, идущим из прошлого в будущее, а вместо этого становится свернутым, хаотичным и случайным. Это означает, что вопрос «почему произошел Большой взрыв?» не имеет смысла, поскольку вне причинности событиям не нужна причина, чтобы произойти.

Чтобы понять, как работает физика в сингулярности, такой как Большой взрыв, нам нужна теория того, как гравитация ведет себя согласно квантовой теории. К сожалению, у нас ее нет. На этом фронте есть ряд усилий, таких как петлевая квантовая гравитация и теория струн с ее различными воплощениями.

Однако эти усилия в лучшем случае неполны, поскольку проблема, как известно, трудна. Это означает, что пространственно-временная пена имеет тотемическую, мощную мистику, во многом похожую на древний Хаос Гесиода, который, как верили греки, существовал в начале мира.

Так как же наша расширяющаяся и в значительной степени классическая вселенная когда-либо вырвалась из пены пространства-времени? Это приводит нас к космической инфляции. Последняя определяется как период ускоренного расширения в ранней Вселенной. Впервые она была введена 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. Она также заставляет Вселенную быть пространственно плоской, что в противном случае является нестабильной ситуацией, но также подтверждается наблюдениями. Более того, инфляция обеспечивает естественный механизм для создания изначальных неоднородностей в плотности Вселенной, которые необходимы для формирования таких структур, как галактики и скопления галактик.

Теория подтверждена

Точные наблюдения за космическим микроволновым фоном в последние десятилетия впечатляюще подтвердили предсказания инфляции. Мы также знаем, что Вселенная действительно может подвергаться ускоренному расширению, потому что в последние несколько миллиардов лет она снова начала это делать.

Какое отношение это имеет к пространственно-временной пене? Оказывается, что если условия для инфляции возникают (случайно) в участке флуктуирующего пространства-времени, как это может произойти с пространственно-временной пеной, то эта область раздувается и начинает соответствовать классической физике.

Согласно идее, впервые выдвинутой российско-американским физиком Андреем Линде, инфляция является естественным — и, возможно, неизбежным — следствием хаотических начальных условий в ранней Вселенной.

Дело в том, что наша классическая вселенная могла возникнуть из хаотических условий, подобных условиям в пространственно-временной пене, испытав начальный импульс инфляции. Это вызвало бы расширение вселенной. Фактически, наблюдения астрономов за реликтовым излучением предполагают, что начальный импульс является взрывным, поскольку расширение является экспоненциальным во время инфляции.

20 марта 2014 года Алан Гут лаконично объяснил это: «Я обычно описываю инфляцию как теорию «взрыва» Большого взрыва: она описывает механизм приведения в движение, который мы называем Большим взрывом».

Итак, вот и все. 14-миллиардная история нашей Вселенной начинается с катастрофического взрыва во всем космосе, который мы называем Большим взрывом. Это вне разумных сомнений. Этот взрыв на самом деле является периодом взрывного расширения, который мы называем космической инфляцией. Но что происходит до инфляции? Это пространственно-временная сингулярность, это пространственно-временная пена? Ответ в значительной степени неизвестен.

На самом деле, это может быть даже непознаваемо, потому что есть математическая теорема, которая запрещает нам доступ к информации о начале инфляции, во многом похожая на ту, которая запрещает нам знать о сингулярности черных дыр. Так что, с нашей точки зрения, космическая инфляция — это Большой взрыв, взрыв, с которого все началось.