Спросите Итана №63: рождение пространства и времени

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-63-the-birth-of-space-and-time-9b114353448b#.y1rru9gxt
  • Перевод

Если что-то существовало до Большого взрыва, что это может значить для рождения нашей Вселенной?


Ты можешь попытаться соврать самому себе. Ты можешь говорить себе, что ты вложил всё свое время и все свои усилия. Но ты знаешь правду — и я её знаю.
Дж. Дж. Уатт


Полвека прошло с тех пор, когда крупнейшие предсказания теории Большого взрыва были подтверждены, и навсегда изменили наше представление о Вселенной. Вместо концепции о вечной и бесконечной Вселенной у нас теперь есть понимание, что всё, что мы можем наблюдать, существовало примерно 14 миллиардов лет космического времени, а Солнце и Солнечная система существуют всего лишь треть от этого срока. Что и делает вопрос Себастьяна, заданный в нашей колонке, таким интересным:

Когда началось пространство-время? Когда я был ребёнком, я узнал, что началом всего был Большой взрыв. Теперь, видимо, это представление не совсем верно, поскольку до Большого взрыва была космическая инфляция, а взрыв был вовсе не взрывом, а состоянием, когда Вселенная была горячее и плотнее. Если до Большого взрыва была инфляция, значит, до него было и пространство-время?

Чтобы полностью ответить на вопрос, нам нужно рассмотреть три вещи. Первая – что мы подразумеваем под пространством и временем.



Вы привыкли к обычному понятию пространства – длина, ширина, высота – и времени, которые вы можете представлять себе просто, как ответы на вопросы «когда» и «где». И это не такое уж и плохое представление – но есть две особенности пространства и времени, о которых вам нужно знать, и которые могут показаться не такими интуитивными. Понадобился Эйнштейн, чтобы разобраться в этом, и даже он не справился бы без посторонней помощи!

Первое – пространство и время не две отдельные сущности, как считал Ньютон. Если вы двигаетесь в пространстве, ваше движение меняет течение времени для вас, а если два человека двигаются в пространстве с разными скоростями – они по-разному воспринимают как своё время, так и время, проходящее для другого.



Способ, которым проще всего описать происходящее, был придуман даже не Эйнштейном, а математиком Германом Минковским. Нужно рассматривать объединённое пространство-время, где вместо трёх пространственных и одного временного измерения существует четырёхмерная сущность пространства-времени. В 1908 году Минковский писал следующее:
Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, выросли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.


И хотя Эйнштейн поначалу противился такой революции, принятие им новой концепции привело к ещё большему открытию.



Суть не только в том, что пространство и время объединены в четырехмерную ткань пространства-времени, но и в том, что кривизна этой ткани определяется присутствием материи и энергии. Как движение через пространство-время влияет на то, как по-разному оценивают наблюдатели проходящее время и расстояния, так и присутствие материи и энергии (и искривления в общем случае) влияют на восприятие пространства и времени.

В наиболее экстремальных примерах концентрации материи и энергии – сингулярностях – понятия пространства и времени нарушаются.



Наиболее привычно для нас представлять сингулярность как центр чёрной дыры, где становится достижимой произвольная (а возможно, и бесконечная) плотность материи и энергии. В этом случае представление о пространстве-времени нарушается, поскольку уравнения Эйнштейна дают бессмысленные результаты.

Второй вопрос, который необходимо рассмотреть – схема Большого взрыва.



Сегодняшняя Вселенная представляется нам относительно холодной и пустой, за исключением мест, где сконцентрирована материя, звёзды, планеты, и жизнь, сформировавшиеся за миллиарды лет её существования. Вся эта космическая пирамида, от субатомных масштабов вплоть до огромных галактических кластеров, существует благодаря гравитации, электромагнетизму и ядерным силам.

Отправившись назад во времени, мы обнаружим, что всё в прошлом было более равномерно с гравитационной точки зрения, а Вселенная была горячее (длины световых волн были короче) и плотнее, из-за того, что пространство-время постоянно расширялось.



Мы можем отправиться назад во времени сколь угодно далеко, до всё более высоких энергий, больших температур и увеличивающихся плотностей. Например, до времени, когда:

ещё не сформировались звёзды и галактики, и Вселенная была морем тёплых нейтральных атомов;
было слишком горячо для формирования нейтральных атомов, и Вселенная представляла собою ионизированную плазму из ядер и электронов;
было слишком горячо для формирования ядер, и были лишь свободные протоны и нейтроны;
было настолько горячо, что в результате столкновений частиц возникали пары материя/антиматерия для всех известных частиц.

Можно захотеть пойти ещё дальше в прошлое, к произвольной плотности, температуре, и даже к тому событию, которое соответствует сингулярности: моменту, когда вся Вселенная была заключена в одной точке.



И если бы это было так, то пространство и время начались бы оттуда – поскольку не существует никакого «где» вне пространства, и «когда» вне времени. Но приняв такое положение за реальное начало Вселенной, мы столкнулись бы с огромным количеством загадок, которые нельзя было бы разгадать. Сейчас физика учит нас, что нельзя двигаться сколько угодно далеко в прошлое, и что состояние инфляции – экспоненциально расширяющегося пространства-времени, с энергией, присущей самому пространству – предшествовало и привело к тому горячему и плотному состоянию, которое мы называем Большим взрывом.



Ведь именно в тот момент, когда энергия, привязанная к самому пространству, преобразовывается в материю и излучение, и прекращается экспоненциальное расширение, что приводит к появлению такой Вселенной, какой по нашим представлениям она была в прошлом.



И мы приходим к третьему вопросу, памятуя о сингулярностях и Большом взрыве: если Вселенная до Большого взрыва, во время инфляции, состояла из экспоненциально расширяющегося пространства-времени, откуда это пространство-время взялось?

Как ни странно, есть три интуитивных варианта ответа:

у Вселенной могло быть начало, до которого не было ничего;
она могла существовать вечно, как бесконечная линия, простирающаяся в двух направлениях;
она может быть цикличной, как окружность, повторяющаяся снова и снова.



Если обратиться к представлению о Большом взрыве без предшествующей инфляции, то все факты говорят о первом варианте: Вселенная родилась в “момент”, когда у неё была бесконечная энергия и в этот же “момент” началось пространство-время.

Но инфляция меняет всё. Вместо сингулярности с t = 0, в момент возникновения Большого взрыва, возникает Вселенная, существующая в состоянии инфляции, когда она экспоненциально расширяется в течение неустановленного времени.




Синяя и красная линия представляют «традиционный» вариант Большого взрыва, когда всё начинается в момент t = 0, включая и пространство-время. Но в варианте с инфляцией (жёлтый) мы не добираемся до сингулярности. Вместо этого пространство может быть сколь угодно малым, а время можно отматывать назад бесконечно.

Такой сценарий больше подходит ко 2-му варианту, то есть вечной Вселенной. Но оказывается, и тут есть подвох. Согласно одной из теорем, инфляционная Вселенная не может существовать вечно, и должна была начаться из сингулярности.



Правда, эта теорема основана на известных законах физики, а применять их предлагается к тому моменту, когда законы физики перестают работать. Кроме того, хотя Вселенная и огромна и содержит очень много всего, количество материи в ней всё-таки не бесконечно. В ней есть около 1090 частиц (включая фотоны и нейтрино), зародившиеся во времена горячего и расширяющегося состояния Большого взрыва, и ещё на 10-30 секунд раньше, в последние моменты инфляции – и всё равно, есть некоторые вещи, которые мы не можем пронаблюдать.



К сожалению, среди них есть и происхождение инфляционного пространства-времени.

Неизвестно, значит ли всё вышеизложенное, что инфляционная Вселенная не могла существовать вечно, или что наши законы физики неприменимы к этому вопросу, или что у неё было начало, или что она цикличная… Возможно даже, что и время циклично, и циклы меняются с каждой итерацией. И, несмотря на весь наш прогресс, у нас до сих пор есть три этих возможности, которые философы и теологи обсуждают уже столько времени: время конечно, время бесконечно, время циклично.



Знаем мы лишь то, что если в прошлом и была сингулярность, она не имеет ничего общего с нашим горячим и Большим взрывом, до которого можно отследить каждую частицу материи и энергии в наблюдаемой Вселенной.

Если мы не придумаем способ получить информацию о том времени, когда наблюдаемая Вселенная существовала в каком-то допустимом смысле, ответ на этот вопрос может оказаться недостижимым. Не каждый вопрос в колонке «Спросите Итана» получит однозначный ответ – мы обсуждаем лишь то, что известно на основании собранных данных.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 35
    0
    А как же циклическая теория столкновения двух бран? или ее уже выпилили?
      +1
      Особенно мне нравится вариант с линией, имеющей начало. К ней прямо таки напрашивается вопрос: а с чего вдруг что-то появилось? Не проще ли было бы просто ничему не существовать? Это же применимо к двум другим вариантам: «почему линия? почему кольцо? не проще ли просто — ничего»?
        0
        Что-то вполне может появиться из ничего. Рекомендую почитать про квантовые флуктуации вакуума и эффект Казимира.

        https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Квантовая_флуктуация
          0
          Вакуум — это не «ничего».
            +1
            А кто вообще говорит, что в начале инфляции было «абсолютное ничто»?
            Поясню — в теории струн, например, кроме 4-х мерного пространства-времени существует (или может существовать) еще 6 — 7 измерений. Но они «свернуты» до планковских масштабов и потому не наблюдаемы доступными нам средствами.
            Вполне логично предположить, как 1 из вариантов, что до инфляции доступные нам 4 измерения тоже были свернуты.
            Почему они вообще развернулись, почему развернулись именно эти 4 — а кто его знает?
            Развернуться могли действительно из-за квантовых флюктуаций. А если исходить из сильного антропного принципа, то развернулись именно эти 4 потому, иначе по вселенной не было бы разумных форм жизни, способных задавать такие вопросы :)
              0
              Тогда другая теория должна искать ответ на вопрос, откуда взялись измерения и почему поменяли своё состояние. Квантовые флюктуации? Это процессы. Почему они запущены? Как они запустились? Почему они идут именно по таким законам, по каким идут?

              Мне нравятся идеи Марка Тегмарка о том, что всё — это математические структуры, а наблюдаем мы только такие структуры, в которых возможно существование наблюдателя. В мире Марка Тегмарка существует только математика, а всё остальное — её частный случай.

              Но даже там возникает вопрос, откуда взялась математика, и не проще ли было бы не иметь математики)
          0
          Про квантовые флуктуации — здесь немного другое дело — они проявляются в пространстве-времени, а это «ничего» в чём-то, для чего у нас нет названия за полным непониманием того, что это может быть.
          0
          Как пример, лист бумаги на который упала капля чернил. Конечно проще, чтобы лист просто лежал, но ведь всякое бывает.
            0
            У ничего отсутствуют любые свойства, которые можно или нельзя представить. Это не пустота, не ноль и не некий сорт бесконечности. Если нечто представлено, то это уже ошибочно, т.к. ничем не является. Из этих утверждений исхожу я, когда пытаюсь представить себе ничего, и, логично, что эта попытка тут же и заканчивается.
              +1
              отсутствие свойств-само, по себе, не хилое свойство.и невозможность представить или понять, что бы это значило-совсем ничего не значит
                +1
                Я ничего не понял из того, что вы сказали.
                  +1
                  ничего страшного
                0
                Ничто вполне могло быть… с нашей точки зрения. Потому, что вселенная может представлять некий геометрический объект с размерностью больше, чем наблюдаемая. Поэтому что-то могло «упасть», что и запустило инфляцию, а дальше уже по известной схеме. Также по остальным пунктам: бесконечное прошлое — всё что надо существовало всегда, но изменились условия/концентрация (опять же у объекта вне нашей размерности), что и привело к инфляции; цикл означает, что данное безобразие случается периодически. Как я это себе представляю…
              –1
              amdf > не проще ли просто — ничего»?

              Для атеистов это проще чем Бог.

              Из ничего, с точностью до протона и сходу! — проще не бывает! ;-)
                0
                Такая мысль меня сильно мучила в юношеском возрасте. Да и сейчас порою задумываюсь. Как один из вариантов ответа: вопрос «Почему все появилось?» становится бессмысленным если отвергнуть принцип причинности. Т.е. можно поставить другой вопрос: «А с чего вы решили, что все должно иметь причину»?
                  0
                  Тоже хороший вопрос, который порождает некоторые выводы, например «если не существовал до рождения, но потом появился, а после смерти снова буду не существовать, почему бы не приравнять два состояния (не существовал до) и (не существовал после)». И ничто не помешает из это го состояния «не существовал» снова появиться в каком-то виде. Может быть в точно таком же.

                  Вообще, для человека собственное рождение почти что такое же странное событие, возникшее из «ничего». Ничего не было и вдруг начал существовать.
                    0
                    Лично мне кажется, что если вселенная и могла возникнуть из ничего, то только потому что она Информационная, а не Материальная по своей природе. Т.е. это не физические характеристики носителей информации определяют можно ли из них извлечь информацию, а само наличие «носителей информации» обязано тому, что в них есть информация. И да, я понимаю что информация суть интерпретированные данные, но может сама вселенная как огромный массив взаимосвязей является интерпретатором. Т.е. Информация интерпретирует, и создаёт саму себя. Атомы же (в виде связки электрона и атомного ядра) по своей природе почти полностью состоят из пустоты. А нейтроны из совокупности кварков, которые тоже не близко друг к другу. Ну и так дальше, пока по факту не остаётся ничего. Сюда же флуктуации в вакууме. Да и вообще, поля которыми все частицы и являются, лично мне логичней и проще воспринимать как информационное поле.
                    Я не религиозный человек, и имею ввиду не солипсизм и прочие «Секреты», но скорее теорию матрицы, только компьютером симулирующим эту вселенную — эта же вселенная и является. Ну или фантастический (но не новый) вариант, что разумные существа из этой вселенной когда-нибудь в далёком будущем, эту же вселенную однажды и придумали (Time Paradox).

                    В конце-концов, чем разум — не информация? А ведь разум в ходе своей мыслительной деятельности изменяет сам себя. Причём, это возможно без получения новой (уже существующей во вселенной) внешней информации (В этом конкретном случае, я говорю о изменении своего разума, а не о зарождении разума с\без наличия внешних раздражителей).

                    Извиняюсь если излишне сумбурно, но тема всегда была интересная и не смог пройти мимо)
                  0
                  Вариант на самом деле не вполне правильный. Если следовать современным нучным данным и представлениям, то из него надо выкинуть начальную точку, чтобы получился открытый отрезок. На данный момент у нас нет экспериментальных свидетельств о существовании этой точки (сингулярности), и логически существование этой точки также вывести нельзя. Более того, в варианте с выброшенной точкой полностью снимается ваш вопрос о появлении, так в таком случае ни слева ни справа у линии границы нет и левее любой точки ещё континуум. Иначе говоря: _конечность возраста не означает существования момента возникновения_.
                  0
                  Сколько я не пытался представить ничего — в итоге представляется то что является пустым пространством с какой то метрикой:)
                    0
                    чтобы представить ничего, надо ничего не представлять.
                    «это не пустота, не ноль и не некий сорт бесконечности. Если нечто представлено, то это уже ошибочно, т.к. ничем не является.» — человек сверху.
                      0
                      Спасибо, что сделали это за меня. Отвечал как раз на этот комментарий, промахнулся.
                    0
                    Что смешно, что на картинке КДПВ изображен светлячок из сериала/фильма 'Миссия Сиренити', где движение было вполне релятивистким, досветовым (все в пределах одной солнечной системы, забитой до отказа планетами). И по сценарию никаких пространственно-временных коллизий не наблюдалось.
                      0
                      А мне представилось, что раз всё было плотно и сингулярно, то и время было остановлено, так если бы мы могли пронаблюдать его со стороны или текло оооочень медленно. Да и взрыв со стороны мог протекать довольно медленно, не так как если бы наблюдатель был в самом взрыве.
                        +1
                        Проблема в том, что не было «стороны» с которой можно было бы наблюдать «со стороны». Так как сам факт возможности наблюдения чего-то «со стороны» необратимо симметрично приводит к тому, что и эту «сторону» можно наблюдать изнутри наблюдаемого чего-то. А мы, по крайней мере пока, никакой-такой «стороны» изнутри нашей Вселенной не наблюдаем.

                        Т.е. не нужно считать Большой Взрыв неким взрывом в пространстве, в котором кроме данного взрыва есть место для удаленного наблюдателя. Большой Взрыв это взрыв самого пространства.
                          0
                          Именно так. О Большом взрыве многие задаются вопросами: почему он произошел именно в тот момент и именно в том месте, что его запустило? Но суть в том, что не было ни момента ни места — таких понятий не существовало, они — результат «взрыва».
                        0
                        В последнее время всё чаще встречаю упомнания о том, что до Большого взрыва была инфляция. Но по моим представлениям сама инфляция, т.е. очень быстрое расширение Вселенной (из сингулярности или же из очень (но не бесконечно) плотного и компактного состояния — сейчас не важно) и есть Большой взрыв (или, по крайней мере, существенная часть его). Согласно Итану же, если я правильно понял, Большой взрыв — это просто горячее состояние Вселенной сразу после инфляции, да, расширяющейся Вселенной, но гораздо медленнее расширяющейся, чем при инфляции. И вот это как-то не вяжется с моими (ранними) представлениями о БВ. Какой же это БВ? Кто-нибудь может подсказать, что я пропустил?
                          0
                          Мне тоже больше импонирует называть Большим Взрывом саму инфляцию, но обычно этот термин используют для другого процесса.

                          Современные представления об инфляции выглядят следующим образом. В изначально хаотическом состоянии вселенной некоторое скалярное поле (инфлантон) в результате неизвестного процесса (квантовая флуктуация или что-то более хитрое) получило очень большое по модулю значение. Оно бы быстро упало назад, породив другие частицы, однако тут вступила в действие ОТО. Константные скалярные поля по действию на пространство-время эквивалентны темной энергии, т. е. приводят к равномерному расширению, однако есть и обратное действие. Быстро расширяющееся пространство добавляет что-то вроде трения в уравнение скалярного поля, замедляя скорость падения его величины.

                          Этот самоподдерживающийся процесс сверхбыстрого расширения продолжался некоторое время, эффективно очистив вселенную от всего что-там было (все частицы растащило так далеко друг от друга, что их практически не осталось, Большой Разрыв), а также уменьшив кривизну пространства практически до нуля. Однако, ко всему приходит конец, и поле инфлантона сползло до значений, уже не достаточных для продолжения взрывного расширения. Инфляция закончилась, а скалярное поле, наконец, упало до нуля, распавшись на все остальные частицы. Пустая плоская вселенная стала вновь наполненной и именно этот процесс обычно называют Большим Взрывом.
                            –1
                            DrSmile > Инфляция закончилась, а скалярное поле, наконец, упало до нуля, распавшись на все остальные частицы. Пустая плоская вселенная стала вновь наполненной и именно этот процесс обычно называют Большим Взрывом.

                            Супер. Осталось понять, почему возникшая Вселенная была «создана» этим процессом с точностью до протона. (Протон плюс и всё сжалось бы в чёрную дыру, протон минус и всё разлетелось бы без всякого образования звёзд.)
                            0
                            Если действительно интересен современный академический взгляд на БВ и все с ним связанное — Леонард Сасскинд все очень подробно объясняет в курсе Стенфордских лекций «Cosmology», 10 штук, доступных на Ютюбе.
                            Также мне нравится его точка зрения происхождения нашей вселенной как квантовой флуктуации бесконечно расширившейся предыдущей вселенной :)
                            Лично я осилил все 20 часов, дерзайте.
                            Плейлист: Cosmology (2013) — Leonard Susskind — Stanford University
                              0
                              Вот за это — спасибо!
                              Сасскинд, вместе с Хокингом и Докинзом, вызывают действительное уважение за такого рода популяризацию науки.
                            0
                            Вот что интересно — на 6-й картинке (с воздушными шариками) все эти шарики (с сеткой пространства в них) изображены как некие объекты, ноходящиеся во внешнем пространстве (в рамках картинки). Это хорошая иллюстрация человеческого мышления и его стереотипности. Любой объект мы представляем себе существующим ВНУТРИ нашего пространства. Когда же мы пытаемся всю нашу вселенную представить как некий объект, мы автоматически (по привычке) представляем его как нечто висящее в… другом пространстве! От этого и невозможность построить адекватную модель того о чем говорится в этой статье в своём мозге. Мы просто не привыкли мыслить такими категориями. Наш мозг дает осечку и изменяет нам, пытаясь подстроить всё под тот стереотип, которым мы привыкли всё измерять. В общем, шаблон слишком прочен, чтобы его разорвать.
                              0
                              Сложное состоит из простого (потом идут длинные подтверждающие примеры и наконец очевидный вывод)
                              «Материя», от которой все произошло, это что-то максимально простое, самое простое

                              Первое обладает структурой, информацией, вероятностью своего существования, оно бесконечно разнообразно
                              Второе не обладает структурой и вариантами, его вероятность всегда равна единице

                              Как осмыслить максимально простую «материю» (здесь нужно немного воображения)
                              Если это излучение, то каждая его точка излучает во всех спектрах/направлениях/поляризациях/фазах и тп.
                              Если это тетрис, то стакан плотно заполнен, и все что за пределами стакана(!) тоже плотно заполнено :)
                              Если это черная дыра, которая втянула в себя всю вселенную, всю кроме последней пылинки, то это еще не достаточно просто. Ведь пылинка на заняла своего «места» в нашей дыре, ее «место» может оказаться справа или слева, вариантов много… Но когда она, окруженная простанством-временем, которое создает сама же, долетит до этой дыры и займет свое «место», только тогда наша вселенная, состоящая из единственной черной дыры, станет достаточно простой, что бы стать началом всего (или концом)

                              Простое максимально однородно, не имеет границ, находится во всех возможных состояниях одновременно
                              Есть подходящее слово для его обозначения. Простая «материя», из которой все произошло — это небытие
                              Не абстрактное философское небытие, дальше которого дороги нет, а вполне себе конкретное, к которому можно подойти очень близко
                                0
                                Прочитав статью, вспомнил одну замечательную книгу: «Хроники Нарнии» называется, а конкретно книга «Племянник чародея». Там мир Нарнии возник после того как туда попала маленькая девочка из междумирья, даже точнее не «туда», а как бы в «ничего», после того как девочка запела песенку появилась Нарния.
                                И, кстати, конец света В Нарнии связан как раз со смертью этой девочки
                                  0
                                  Не читал и не смотрел ничего что касается «нарнии», но похожая концепция есть в игре dreamfall (tlj, chapters ну и самая первая) — только там связь не с жизнью/смертью, а со сном/пробуждением (девочке снится мир — и он существует).

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое