Что было до Большого взрыва?

08.09.2021

Космолог Александр Виленкин считает, что Большой взрыв не был разовым событием, а просто одним из серии больших взрывов, создающих бесконечное количество пузырей-вселенных.

Новостная рассылка

Это самый фундаментальный вопрос космологии: как возникла Вселенная?

Вопрос предполагает, что у Вселенной была фактическая отправная точка, но с таким же успехом можно предположить, что Вселенная всегда была и всегда будет. В этом случае не было бы никакого начала - просто постоянно развивающаяся история, на которую мы можем взглянуть лишь мельком.

«У нас есть очень веские доказательства того, что был Большой взрыв, так что вселенная в том виде, в каком мы его знаем, почти наверняка возникла около 14 миллиардов лет назад. Но было ли это абсолютным началом или что-то было до этого? » - спрашивает Александр Виленкин, космолог из Университета Тафтса недалеко от Бостона. Это похоже на вопрос, на который никогда нельзя дать истинного ответа, потому что каждый раз, когда кто-то предлагает решение, кто-то может продолжать задавать раздражающий вопрос: что произошло до этого?

Но теперь Виленкин говорит, что у него есть убедительные доказательства: у Вселенной было отчетливое начало, хотя он не может точно определить время. По его словам, после 35 лет оглядки назад он обнаружил, что до нашей Вселенной не было ничего, вообще ничего, даже самого времени.

На протяжении своей карьеры, в том числе более 20 лет, когда он руководил Институтом космологии Тафтса, Виленкин выдвинул ряд безумных, ослепительных идей, хотя со стороны он не выглядит ни диким, ни ослепляющим. 64-летний профессор мягок, аккуратен и скромного телосложения. Он одевается аккуратно, в нейтральных, сдержанных тонах, которые не привлекают к нему внимания.

Несмотря на сдержанный манер, граничащий с подавленным, Виленкин - творческая сила, которая постоянно находила способы разорвать туман, окружающий некоторые из самых сложных проблем, которые только можно вообразить, - триумфы, которые снискали ему уважение ученых всего мира. «Алекс - очень оригинальный и глубокий мыслитель, который внес важный и глубокий вклад в наши представления о сотворении Вселенной», - говорит космолог из Стэнфорда Андрей Линде.

Однако этой блестящей карьеры могло и не случиться. Виленкин родился в Советском Союзе в 1949 году и вырос в украинском городе Харькове. Он увлекся космологией в средней школе, прочитав о Большом взрыве в книге сэра Артура Эддингтона. Эта «одержимость» происхождением Вселенной, говорит Виленкин, «никогда не покидала меня. Я чувствовал, что если вы могли бы поработать над этим вопросом, который может быть самым интригующим из всех, почему вы бы решили работать над чем-то еще? »

Будучи студентом Харьковского национального университета, Виленкин говорит, что ему посоветовали «заняться настоящей физикой», а не заниматься своей первой любовью - космологией. Хотя он был отличником, он не мог поступить в аспирантуру по физике, потому что, как он подозревает, КГБ внесло его в черный список за отказ стать государственным информатором. Вместо этого Виленкин был вынужден взять на себя ряд обыденных работ. Какое-то время он преподавал в вечерней школе для взрослых, но оставил эту должность, потому что в его обязанности входило ходить в дома отсутствующих, многие из которых были алкоголиками, и пытаться затащить их в школу - занятие незавидное.

Около полутора лет он был ночным сторожем, в том числе в Харьковском зоопарке. Чтобы защитить животных (на которых иногда охотились в поисках еды), ему дали винтовку, которую он не умел использовать и, к счастью, никогда не стрелял. Когда у него было время в течение этих долгих ночей, Виленкин изучал физику, занятие, которое включало чтение четырехтомного собрания сочинений Альберта Эйнштейна. Его уволили с этого безумного задания, когда кто-то решил - возможно, на основании его выбора материала для чтения - что он слишком квалифицирован для выполнения поставленной задачи.

Поскольку его перспективы трудоустройства казались мрачными, он решил эмигрировать в Соединенные Штаты; он полагал, что начнет с мытья посуды, пытаясь прорваться в академическую среду. Но для выхода из Советского Союза требовался тщательно продуманный план: евреям, таким как он, разрешалось поехать в Израиль в небольшом количестве, определяемом квотой, но сначала нужно было получить приглашение от израильских родственников. У Виленкина там не было настоящих родственников, поэтому он связался с другом, который знал людей в Израиле, и в конце концов нашел кого-то - незнакомого ему человека - достаточно любезного, чтобы написать письмо от его имени.

После того, как письмо пришло, он год ждал визу, но это было дорогой ценой. Прежде чем Виленкин и его жена смогли уехать, их родители должны были дать согласие на переезд. За разрешение родители его жены потеряли работу в лаборатории. Его отец, профессор университета, позже тоже потерял работу. Традиционной остановкой по пути в Израиль была Вена, но оттуда Виленкин, его жена и годовалая дочь вместо этого отправились в Рим, прибыв туда в 1976 году. Они встретились с представителями консульства США в Риме и, после трехмесячного ожидания, наконец получили визу в США

Назад к Большому взрыву

Осенью 1977 года Виленкин получил докторскую степень в Case Western Reserve, где он должен был изучать электрические свойства нагретых металлов. Тем не менее, он нашел время, чтобы теоретизировать о вращающихся черных дырах и их загадочных магнитных полях. Год спустя ему повезло, когда Тафтс предложил ему одну годичную должность гостя. Он рискнул, погрузившись в космологию, которую в то время считали маргинальной.

Это скоро изменится. В конце 1979 года постдок из Стэнфорда по физике по имени Алан Гут предложил объяснение взрывной силы, лежащей в основе Большого взрыва. Интеллектуальный скачок Гута стал результатом теорий физики элементарных частиц, которые утверждали, что при чрезвычайно высоких энергиях - гораздо более высоких, чем когда-либо можно было бы достичь в лаборатории - особое состояние материи перевернет гравитацию с ног на голову, сделав ее силой отталкивания, а не притяжения.

Кусочек космоса, содержащий крошечный кусочек этой необычной материи, может оттолкнуться с такой силой, что буквально взорвется. Гут предположил, что такая огромная вспышка спровоцировала Большой взрыв, стремительно увеличив Вселенную до такой степени, что она увеличилась вдвое, по крайней мере, в 100 раз. Этот скачок экспоненциального роста, называемый космической инфляцией, был кратковременным, однако длился всего лишь крошечные доли секунды, потому что отталкивающий материал быстро распался, оставив позади более знакомые формы материи и энергии, которые сегодня заполняют Вселенную.

Идея одновременно решила ряд загадок космологии. Он объяснил, откуда произошел «взрыв» Большого взрыва и как космос стал таким большим. Быстрая инфляция во всех направлениях также объяснила, почему Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, настолько однородна, и почему температура фонового излучения, оставшегося от этого первичного взрыва, одинакова на каждом участке неба и составляет одну сотую тысячную. Инфляция также возродила космологию, дав таким теоретикам, как Виленкин, много поводов для размышлений - и вдобавок немного большей респектабельности.

Бесконечная история

К 1982 году, через пару лет после прорыва Гута, Виленкин осознал собственное осознание: процесс инфляции должен быть вечным, а это означает, что однажды начавшись, он никогда полностью не прекратится. Инфляция может внезапно закончиться в одном регионе пространства, таком как тот, который мы населяем, но она продолжится в другом месте, вызывая нескончаемую серию больших взрывов. Каждый взрыв будет соответствовать рождению отдельной «карманной» вселенной, которую можно представить в виде расширяющегося пузыря - одного из бесчисленных пузырей, плавающих внутри «мультивселенной», как ее иногда называют.

По мнению Виленкина, вечная природа инфляции проистекает из двух конкурирующих свойств космического топлива - материала, отталкивающего гравитацию, который заставляет Вселенную быстро расширяться. С одной стороны, материал был нестабильным, как радиоактивные вещества, и поэтому был обречен на распад. С другой стороны, материал расширялся намного быстрее, чем разлагался, поэтому даже если распад может остановить инфляцию в одних регионах, безудержный рост продолжится в других.

В качестве аналогии Виленкин предлагает сгусток бактерий, который хочет продолжать размножаться и расти, в то время как антитела, убивающие бактерии, пытаются остановить этот рост. Если бактерии размножаются намного быстрее, чем уничтожаются, они будут быстро размножаться и распространяться, даже если их размножение может быть затруднено в некоторых районах. Как бы то ни было, в конечном итоге инфляция (или рост бактерий) никогда не заканчивается сразу везде и всегда происходит в какой-то части мультивселенной - даже когда вы читаете этот журнал.

Чтобы лучше понять это явление, Виленкин в 1986 году объединился с аспирантом Тафтса Мукундой Арьялом над компьютерным моделированием, которое показало, как может выглядеть вечно расширяющаяся Вселенная. В их моделировании надувающиеся области, или пузыри, начинались с малого и неуклонно росли, в то время как пространство между пузырями также расширялось. Каждый пузырь, представляющий мини-вселенную, подобную нашей, был окружен более мелкими пузырями, которые, в свою очередь, были окружены еще более мелкими пузырьковыми вселенными.

Дорога в вечность

В бурлящей вселенной Виленкина инфляция по определению вечна в будущем. Однажды начавшись, это не остановится. Но было ли это тоже вечным в прошлом? Было ли когда-нибудь время, когда Вселенная не надувалась? И если бы Вселенная всегда надувалась и всегда расширялась, означало бы это, что сама Вселенная вечна и не имеет начала?

Чтобы ответить на этот вопрос, Виленкин объединил усилия с Гутом и математиком из Университета Лонг-Айленда Арвиндом Бордом. Используя математическое доказательство, они утверждали, что любая расширяющаяся Вселенная, подобная нашей, должна иметь начало. Мысленный эксперимент, который они поставили, выглядел так: представьте себе вселенную, наполненную частицами. По мере того, как он неуклонно расширяется, расстояние между частицами увеличивается. Отсюда следует, что наблюдатели, рассыпанные по всей этой расширяющейся Вселенной, будут удаляться друг от друга, пока, в конце концов, не займут широко разбросанные области пространства. Если бы вы оказались одним из таких наблюдателей, то чем дальше от вас находился объект, тем быстрее он удалялся бы.

А теперь добавьте сюда космического путешественника, движущегося в космосе с фиксированной скоростью: он проносится мимо Земли со скоростью 100 000 километров в секунду. Но когда он достигнет следующей галактики, которая удаляется от нас, скажем, со скоростью 20 000 километров в секунду, наблюдателям там будет казаться, что он движется только 80 000 километров в секунду. По мере того как он продолжает свое путешествие, скорость космического путешественника будет казаться все меньше и меньше наблюдателям, мимо которых он проходит. Теперь запустим фильм в обратном направлении. На этот раз скорость космического путешественника будет появляться все быстрее и быстрее в каждой последующей галактике.

Если мы предположим, что инфляция вечна в прошлом - что у нее не было начала, - космический путешественник в конечном итоге достигнет скорости света и превзойдет ее. Расчет Борд, Гута и Виленкина показал, что это произойдет за конечное время. Но согласно законам относительности, ни один массивный объект не может достичь скорости света, не говоря уже о ее превышении. «Этого не может быть», - говорит Виленкин. «Итак, если вы проследите историю этого космического путешественника во времени, вы обнаружите, что его история должна прийти к концу».

Тот факт, что путешествие путешественника назад во времени заходит в тупик, означает, что с логической точки зрения существует проблема с предположением о постоянно расширяющейся Вселенной, на которой основан весь этот сценарий. Другими словами, Вселенная не всегда могла расширяться. Его расширение должно было иметь начало, и инфляция - особенно взрывная форма космического расширения - должна была иметь начало. Согласно этой логике, наша Вселенная также имела начало, поскольку она была порождена инфляционным процессом, который вечен для будущего, но не для прошлого.

Что-то из ничего

Вселенная с началом порождает неприятный вопрос: как она возникла? Ответ Виленкина ни в коем случае не подтвержден и, возможно, никогда не может быть подтвержден, но это все же лучшее решение, которое он слышал до сих пор: может быть, наша фантастическая, великолепная вселенная спонтанно возникла из ничего. Это еретическое заявление противоречит здравому смыслу, который, по общему признанию, подводит нас, когда мы говорим о рождении Вселенной, событии, которое, как считается, происходит при невероятно высоких энергиях. Это также бросает вызов римскому философу Лукрецию, который более 2000 лет назад утверждал, что «ничто не может быть создано из ничего».

Конечно, Лукреций никогда не слышал о квантовой механике и инфляционной космологии, областях 20-го века, которые опровергают его смелое заявление. «Мы обычно говорим, что ничего не может быть создано из ничего, потому что мы думаем, что это нарушило бы закон сохранения энергии» - священный принцип физики, согласно которому энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, - объясняет Виленкин. Итак, как вы могли создать вселенную с материей в ней, где раньше ничего не было?

«Способ, которым Вселенная решает эту проблему, заключается в том, что гравитационная энергия отрицательна, - говорит Виленкин. Это следствие того факта, который математически доказан, что энергия замкнутой Вселенной равна нулю: энергия материи положительна, энергия гравитации отрицательна, и они всегда в сумме равны нулю. «Следовательно, создание закрытой Вселенной из ничего не нарушает никаких законов сохранения».

Расчеты Виленкина показывают, что Вселенная, созданная из ничего, скорее всего, действительно будет крошечной - намного, намного меньше, чем, скажем, протон. Если в этом крошечном царстве содержится лишь небольшая часть материала, обладающего отталкивающей гравитацией, этого достаточно, чтобы гарантировать, что он зажжет неудержимый процесс вечной инфляции, ведущий к вселенной, в которой мы живем сегодня. Если теория верна, мы обязаны своим существованием самому скромному происхождению: ничему самому.

Одно из достоинств этой картины, если она верна, состоит в том, что спонтанное создание нашей вселенной дает определенную отправную точку для вещей. Время начинается в момент творения, устраняя потенциально бесконечные вопросы о том, «что произошло до этого».

Тем не менее, это объяснение по-прежнему оставляет без внимания огромную загадку. Хотя вселенная, согласно схеме Виленкина, может возникать из ничего в том смысле, что не существует пространства, времени или материи, что-то есть заранее, а именно законы физики. Эти законы управляют моментом создания чего-то из ничего, что дает начало нашей Вселенной, а также они управляют вечной инфляцией, которая наступает в первую наносекунду времени.

Это вызывает некоторые неудобные вопросы: где находились законы физики до того, как появилась вселенная, к которой их можно было применить? Существуют ли они независимо от пространства или времени? «Это великая загадка, откуда пришли законы физики. Мы даже не знаем, как к этому подойти », - признается Виленкин. «Но до того, как появилась инфляция, мы даже не знали, как подойти к вопросам, которые позже решила инфляция. Так что кто знает, может быть, мы преодолеем и этот барьер ».

В фильме Клинта Иствуда «Magnum Force» Гарри Каллахан говорит: «Человек должен знать свои ограничения», но работа Виленкина является свидетельством того, что он выходит за традиционные рамки. Если мы упорствуем перед лицом скептицизма и сомнений, к чему часто склонен Виленкин, вполне могут возникнуть интересные и неожиданные идеи - точно так же, как вселенная, возникающая из ниоткуда.

Устранение лазеек

Лазейка №1

Чтобы подтвердить свою гипотезу, Виленкин изучил другие модельные вселенные, устранив лазейки, противоречащие идее четкого космического дебюта. В статье 2012 года с аспирантом Тафтса Одри Митани Виленкин исследовал «циклическую» вселенную, исследованную физиками Полом Стейнхардтом из Принстонского университета и Нилом Туроком, ныне работающим в Институте периметра.

В этой модели нет ни единого Большого взрыва, ни единого начала. Вместо этого Вселенная постоянно проходит через колеблющиеся циклы расширения, сжатия, коллапса и расширения. Загвоздка в том, что циклическая Вселенная подчиняется второму закону термодинамики, согласно которому энтропия или беспорядок замкнутой системы со временем неизбежно возрастет.

Например, богато украшенный кирпичный особняк очень упорядочен, в то время как куча кирпичей, разбросанная по земле - результат разрушительного воздействия природы и десятилетий или столетий пренебрежения - более беспорядочная. А кирпичная пыль, разлетевшаяся ветром и водой после того, как сами кирпичи испортились, еще более беспорядочная. Сама по себе система - даже пузырьковая вселенная - естественным образом пойдет по этому пути. Мы не часто видим кирпичный особняк, самопроизвольно собирающийся из разросшейся пыли.

Если бы наша Вселенная была здесь всегда и сохраняла стабильный размер, она тоже поддалась бы второму закону. Беспорядок неумолимо увеличился бы до такой степени, что теперь Вселенная превратилась бы в сглаженное безликое пятно. Но это совсем не то, что мы видим. Вместо этого мы видим вселенную, заполненную грандиозными космическими структурами - галактиками, скоплениями галактик, скоплениями скоплений, называемыми сверхскоплениями, и скоплениями сверхскоплений, называемыми нитями галактик, - некоторые из последних простираются на миллиард или более световых лет в поперечнике.

По этой причине Виленкин исключает циклическую картину Вселенной, если только не делается дополнительное предположение, что после каждого цикла расширения и сжатия Вселенная оказывается несколько больше, чем когда она началась. Условие оставило бы нас с другой расширяющейся вселенной, а это означало бы, что исходная теорема Борд-Гут-Виленкин все еще применима: у вечно расширяющейся вселенной должно быть единственное начало.

Лазейка №2

Еще одна возможная лазейка - это сценарий «космического яйца», модель вселенной, выдвинутая, в частности, южноафриканским космологом Джорджем Эллисом. Согласно этой точке зрения, Вселенная может вечно находиться в стабильной конфигурации с фиксированным размером и радиусом, пока она внезапно не начнет расширяться - как вылупившееся яйцо после исключительно долгой фазы инкубации.

По словам Виленкина и Митани, проблема с этим утверждением состоит в том, что малая «стабильная» Вселенная в конце концов не так уж и стабильна. Когда-нибудь во время фазы долгого ожидания он рухнет в ничто, прежде чем когда-либо достигнет экспансионистского периода - то есть, если верить законам квантовой механики.

Квантовая механика, преобладающая ветвь физики для описания того, как вещи работают в атомных масштабах, тщательно проверена и чрезвычайно странна. Квантовая механика считает, что если есть хотя бы малейшая вероятность того, что что-то произойдет, как бы абсурдно это ни звучало, это обязательно произойдет, если вы подождете достаточно долго.

Оказывается, квантово-механические формулы предсказывают небольшой (но ненулевой) шанс коллапса Вселенной с космическим яйцом до нулевого размера, после чего бывшая Вселенная полностью исчезнет. Учитывая бесконечный промежуток времени, к которому призывает сценарий космического яйца, такой коллапс был бы неизбежен - даже несмотря на то, что вероятность того, что он произойдет в любой момент времени, невелика - подразумевая, что Вселенная не могла существовать вечно.

В самом деле, говорит Виленкин, среди всех идей, которые мы до сих пор придумали для вселенной без начала, ни одна из них, похоже, не работает. «Так что ответ на вопрос, было ли у Вселенной начало - да, вероятно, имело место».

Еще новости