05.11.2024. - Поиски разгадки тайны, стоящей за рождением Вселенной

Поиски разгадки тайны, стоящей за рождением Вселенной

Как все началось? Над этим вопросом люди размышляли тысячи лет. За последнее столетие или около того наука приблизилась к ответу: Большой взрыв. Это описывает, как Вселенная возникла в результате катастрофического взрыва почти 14 миллиардов лет назад. За крошечную долю секунды наблюдаемая Вселенная выросла со скоростью бактерии, увеличившись 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 удаленные галактики удаляются друг от друга, что привело к осознанию того, что Вселенная расширяется. Если бы мы перевели стрелки часов назад, к моменту зарождения космоса, расширение обратилось 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 идея была встречена скептически — и на самом деле именно скептик, английский астроном Фред Хойл, придумал это название. Хойл саркастически отверг гипотезу о "большом взрыве" в интервью радио Би-би-си 28 марта 1949 года.

Затем, в 1964 году, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили особый тип излучения, который заполняет все пространство. Это излучение стало известно как фоновое космическое микроволновое излучение (CMB). Это своего рода отблеск Большого взрыва, произошедшего, когда космосу было всего 380 000 лет.

Реликтовое излучение дает представление о горячих и плотных условиях в начале Вселенной. Пензиас и Уилсон в 1978 году были удостоены Нобелевской премии по физике за свое открытие.

Совсем недавно эксперименты на ускорителях элементарных 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 позволяет предположить, что в самые первые мгновения после Большого взрыва четыре фундаментальных физических взаимодействия, существующие сегодня, изначально были объединены в единую силу.

На сегодняшний день существует четыре вида взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. По мере расширения и остывания Вселенной произошел ряд драматических изменений, называемых фазовыми переходами (например, при кипении или замерзании воды), которые разделили эти силы.

Эксперименты на ускорителях элементарных 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 сочетаться. Именно тогда вся материя во Вселенной обрела свою массу.

Двигаясь дальше во времени, мы обнаруживаем, что Вселенная заполнена странной субстанцией, называемой кварк-глюонной плазмой. Как следует из названия, этот "первичный бульон" 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 БАКЕ.

Кварки и глюоны обладают сильным притяжением друг к другу и сегодня связаны друг с другом в виде протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, являются строительными блоками атомов. Однако в условиях высокой температуры и плотности 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 дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной во Вселенной стало меньше фотонов (частиц света) с высокой энергией, чем было ранее. Это запускает процесс, называемый нуклеосинтезом при Большом взрыве (ББН). Именно тогда в результате реакций ядерного синтеза, подобных тем, что питают солнце, образовались первые атомные ядра — плотные сгустки вещества, состоящие из протонов и нейтронов и находящиеся в центрах атомов.

В те времена, когда во Вселенной было больше фотонов высокой энергии, любые образовавшиеся атомные ядра были бы быстро уничтожены ими (процесс, называемый фоторазрушением). 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 результате этих термоядерных реакций. Результаты полностью согласуются с теорией BBN. Если бы мы продолжили в том же духе, то через почти 14 миллиардов лет достигли бы ситуации, которая существует сегодня. Но насколько близко мы можем приблизиться к пониманию того, что происходило непосредственно перед моментом 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 ранние времена мы можем только гадать о тайне Большого взрыва. Итак, что же предлагает теория?

Когда мы возвращаемся назад во времени, изучая историю космоса, расстояния и объемы сокращаются, в то время как средняя плотность энергии растет. В момент Большого взрыва расстояния и объемы падают до нуля, все части Вселенной накладываются друг на друга, и плотность энергии Вселенной становится бесконечной. Наши математические уравнения, описывающие эволюцию пространства и его расширение, обрастают 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 приводит к возникновению гравитации.

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 не работает.

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 не присуждаются посмертно. Пространство и время возникают в сингулярности Большого взрыва, поэтому вопросы о том, что происходило "до" Большого взрыва, четко не определены. Насколько может судить наука, никакого "раньше" не было; Большой взрыв - это начало отсчета времени.

Однако природа не может быть точно описана только общей теорией относительности, хотя последняя существует уже более 100 лет и до сих пор 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 детерминированными. Это означает, что определенные начальные условия приводят к определенному результату и, следовательно, являются абсолютно предсказуемыми. Квантовая теория, с другой стороны, является вероятностной. Это означает, что определенные начальные условия во Вселенной могут иметь множество исходов.

Квантовая теория в некоторой степени предсказывает, но в вероятностном смысле. Исходам присваивается вероятность их существования. Если математическое распределение вероятностей резко возрастает при определенном исходе, то ситуация хорошо описывается "классической" теорией, такой как общая теория относительности. Но не все системы таковы. В некоторых системах, например в атомах, распределение вероятностей является размытым, и классическое описание неприменимо.

А как насчет гравитации? В подавляющем большинстве случаев гравитация хорошо описывается классической физикой. Классическое пространство-время является гладким. Однако, когда кривизна становится экстремальной вблизи сингулярности, квантовую природу гравитации нельзя игнорировать. Здесь пространство-время уже не гладкое, а шероховатое, 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 становится перегруженным "узловатыми" элементами: крючками, петлями и пузырями. Эта быстро меняющаяся ситуация называется пространственно-временной пеной.

В пространственно-временной пене причинно-следственная связь неприменима, поскольку в пространстве-времени существуют замкнутые циклы, в которых будущее события является также его прошлым (поэтому его результат также может быть его причиной). Вероятностная природа квантовой теории предполагает, что при равномерном распределении вероятностей все исходы одинаково возможны, и удобное понятие причинно-следственной связи, которое мы связываем с классическим пониманием физики, утрачивается.

Следовательно, если мы вернемся назад во времени, как раз перед тем, как мы столкнемся с сингулярностью Большого взрыва, мы окажемся в эпохе, где доминируют квантовые эффекты гравитации, а причинно-следственная связь неприменима. Это называется эпохой Планка.

Время перестает быть линейным, направляясь из прошлого в будущее, и вместо этого становится свернутым, хаотичным и случайным. Это означает, что вопрос "почему произошел Большой взрыв?" не имеет смысла, потому что вне причинно-следственной связи событиям не нужна причина, чтобы произойти.

Чтобы понять, как работает физика в такой сингулярности, как Большой взрыв, нам нужна теория, объясняющая, как гравитация ведет себя в соответствии с квантовой теорией. К сожалению, у нас ее нет. В этом направлении предпринимается 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 обладает тотемной, могущественной мистикой, во многом напоминающей древний Хаос Гесиода, который, как верили греки, существовал в начале.

Итак, как же наша расширяющаяся и в основном классическая вселенная смогла вырваться из пространственно-временной пены? Это подводит нас к космической инфляции. Последняя определяется как период ускоренного расширения ранней Вселенной. Впервые он был представлен российским физиком-теоретиком Алексеем Старобинским в 1980 году, а параллельно, в том же году, американским физиком Аланом Гутом, который и придумал это название.

Согласно наблюдениям, инфляция делает вселенную большой и однородной. Она также делает вселенную пространственно плоской, что в остальном является нестабильной ситуацией, но также подтверждается наблюдениями. Более того, инфляция обеспечивает естественный механизм для создания изначальных неравномерностей плотности Вселенной, которые необходимы для формирования таких структур, как галактики и скопления галактик.

Теория подтвердилась

Точные наблюдения космического микроволнового фона за последние десятилетия убедительно подтвердили предсказания инфляции. Мы также знаем, что Вселенная действительно может ускоряться в процессе расширения, потому что за последние несколько миллиардов лет это началось снова.

Какое отношение это имеет к пространственно-временной пене? Что ж, оказывается, что если условия для раздувания возникают (случайно) в области флуктуирующего пространства-времени, как это может произойти с пространственно-временной пеной, 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 хаотических начальных условий в ранней Вселенной.

Суть в том, что наша классическая вселенная могла возникнуть из хаотических условий, подобных тем, что существуют в пене пространства-времени, испытав первоначальный всплеск инфляции. Это привело бы к расширению Вселенной. На самом деле, наблюдения астрономов за реликтовым излучением показывают, что первоначальный толчок был взрывным, поскольку во время инфляции расширение происходит экспоненциально.

20 марта 2014 года Алан Гут кратко объяснил это: "Я обычно описываю инфляцию как теорию "взрыва" Большого взрыва: она описывает движущий механизм, который мы называем Большим взрывом".

Итак, вот оно. История нашей Вселенной, насчитывающая 14 миллиардов лет, начинается с катастрофического взрыва повсюду в космосе, который мы называем Большим взрывом. В этом нет никаких сомнений. Этот взрыв на самом деле является периодом взрывного расширения, который мы называем космической инфляцией. Что же происходит перед инфляцией? Это пространственно-временная сингулярность или пространственно-временная пена? Ответ по большей части неизвестен.

На самом деле, это может быть даже непознаваемо, потому что существует математическая теорема, которая запрещает нам получать доступ к информации о начале инфляции, во многом похожая на ту, которая мешает нам узнать о внутренностях черных дыр. Итак, с нашей точки зрения, космическая инфляция - это Большой взрыв, с которого все началось.

Источник