«На вопрос, почему это случилось, я отвечу скромным предположением, что наша Вселенная – из числа тех вещей, что время от времени случаются» (Эдвард Трайон)
«Несмотря на название, Теория Большого взрыва – это вообще не теория взрыва. Это теория последствий взрыва» (Алан Гут)
«Популярность инфляционной идеи объясняется тем, что она аналогична исповеди — полностью стирает все прошлые грехи» (Шон Кэрролл)
Происхождение всего сущего – один из тех детских вопросов, на которые человечество искало ответы тысячелетиями, выдумывая всевозможные мифы о сотворении мира, развивая философские концепции и разрабатывая научные теории. Древнейшие и наиболее универсальные мифологические нарративы повествуют о мировом океане, символизирующем первозданный хаос. В этот океан ныряет утка и достаёт со дна песок, или из плавающего в океане мирового яйца вылупляется некое божество, или божества создают мир путём пахтания горой мирового океана, или они приносят в жертву великана-первочеловека, или божества были вылизаны из солёных камней языком коровы, появившейся из растаявшего инея, и т.д. Когда-то эти сказки всех устраивали, но с началом научной революции учёные стали находить более разумные объяснения. И вот, после четырёх столетий проб и ошибок, у нас наконец есть космологическая модель, которая даёт исчерпывающее объяснение того, как возникла и эволюционировала Вселенная.
Что же мы видим? Теорию Большого взрыва понимают и признают единицы – остальные в лучшем случае сомневаются, а в худшем – активно её отрицают, изобретая новые мифы, выискивая тайные смыслы в старых и повторяя одни и те же глупые вопросы. А был ли Большой взрыв? Что было до Большого взрыва? Как всё могло образоваться из ничего? Неужели Вселенная – бесплатный обед? Или у неё обязательно должен быть Творец? Почему Вселенная расширяется, а мы – нет? Где записан генетический код Вселенной? Что происходило в первые секунды жизни Вселенной? Большой взрыв уже закончился или продолжается до сих пор? И кому ещё, как не Универсальному объяснителю, придётся терпеливо давать на них ответы в этой статье, опровергая популярные заблуждения? Ну, раз больше некому – поехали!
Как появилась теория Большого взрыва
Теория Большого взрыва относительно молодая – ей не исполнилось и ста лет. Историю её становления вы наверняка слышали, но на всякий случай сделаю краткий пересказ. До середины XX века учёные в большинстве своём были уверены, что мы живём в бесконечной, вечной и стационарной Вселенной. Основу релятивистской космологии в 1915 г. заложил Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности. Из его теории напрямую следовало, что Вселенная не может быть статичной, но Эйнштейну не хватило смелости это признать, и он в 1917 г. компенсировал гравитацию отталкивающей космологической постоянной – лямбда-членом, которую впоследствии назвал своей величайшей ошибкой. В 1922 г. советский математик Александр Фридман вывел три уравнения, описывающие разные модели космологической эволюции: для сферического пространства с положительной кривизной, для евклидового пространства с нулевой кривизной и для гиперболического пространства с отрицательной кривизной. Также учёный доказал, что замкнутая стационарная Вселенная Эйнштейна неустойчива, как карандаш, стоящий на кончике грифеля: она должна либо расширяться, либо сужаться. В космологической модели Фридмана впервые появилась идея начала Вселенной как взрывного процесса.
В 1927 г. бельгийский католический священник Жорж Леметр в статье «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей» независимо вывел уравнения Фридмана и экстраполировал данные об удалении спиральных туманностей назад во времени: если сегодня Вселенная расширяется и остывает, значит, раньше она была меньше, плотнее и горячее. Эйнштейн отреагировал на его публикацию фразой «ваши расчёты верны, но ваше понимание физики отвратительно». Однако в 1929 г. гипотеза Леметра была подтверждена Эдвином Хабблом, открывшим космологическое красное смещение и линейную зависимость скорости удаления галактик от расстояния до них – закон Хаббла. После выхода его статьи «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей» Эйнштейн взял свои слова назад вместе с им же введённым лямбда-членом, а Жорж Леметр в 1931 г. сделал следующий логический шаг, предположив, что когда-то вся масса Вселенной была сосредоточена в одной точке, из которой и возникло пространство-время – «первичном атоме».
Когда стало ясно, что Вселенная расширяется, эта идея получила широкое распространение. В 1948 г. бежавший из СССР в США астрофизик Георгий Гамов в соавторстве с Альфером и Бете объяснил обилие в ранней Вселенной лёгких элементов (водорода и гелия) первичным нуклеосинтезом, описал основные стадии взрыва и предсказал реликтовое излучение – остаток первичного света, заполнявшего раннюю Вселенную. На тот момент теория ещё называлась «динамическая эволюционирующая модель», а сам термин «Большой взрыв» (точнее, «Большой хлопок») придумал в 1949 г. её критик Фред Хойл во время интервью BBC. Годом ранее Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд предложили альтернативную теорию стационарной вселенной, однородной как в пространстве, так и во времени, и противодействующей закону неубывания энтропии непрерывным образованием нового вещества. Эта модель была окончательно опровергнута открытием в 1965 г. реликтового излучения с идеальным спектром абсолютно чёрного тела, которое невозможно было объяснить ни «усталостью света», ни излучением нагретых газопылевых облаков, ни чем-либо ещё. С тех пор накопилось огромное количество наблюдательных фактов, подтверждающих, что Большой взрыв имел место 13,8 млрд. лет назад. Тем не менее, у этой теории до сих пор есть много противников, в основном среди псевдоучёных, конспирологов и эзотериков. Поэтому займусь я, как всегда, опровержением распространённых мифов. Но перед этим давайте определимся с самим понятием «Большой взрыв».
Дело в том, что Большой взрыв можно понимать в узком смысле, как отдалённый момент во времени, когда Вселенная расширялась с разогревом, и в широком смысле, как весь период её расширения, включая фазу остывания. Если строить аналогию с обычным взрывом, то он продолжается до тех пор, пока не рассеется вся его кинетическая энергия. Но Вселенная вряд ли когда-нибудь прекратит расширяться, поэтому можно утверждать, что Большой взрыв происходит прямо сейчас и будет происходить ещё долго, пока не наступит тепловое равновесие. С другой стороны, собственно взрыв продолжался не более 20 минут, пока шла аннигиляция материи с антиматерией и выделялась энергия первичного нуклеосинтеза. Далее Вселенная расширялась по инерции, пока её не подхватила и не ускорила тёмная энергия. Поэтому в большинстве источников Большим взрывом называют фазу т.н. горячего Большого взрыва, которая началась в первую секунду жизни Вселенной и продолжалась 380000 лет, пока температура не упала настолько, что смогли образоваться первые атомы. Далее мы будем употреблять термин «Большой взрыв» именно в этом значении.
Мифы о большом взрыве
Миф №1. Большой взрыв – это «всего лишь теория» или недоказанная гипотеза.
Нет, это не гипотеза, а именно научная теория, подтверждённая многочисленными наблюдениями. Просто многие по ошибке включают в неё то, что к теории Большого взрыва прямого отношения не имеет. Эта теория не отвечает на вопросы вроде «что было до Большого взрыва?», «что взорвалось и почему?», «Большой взрыв произошёл единожды или он повторяется циклически?» и т.д. Вся теория Большого взрыва сводится к простому утверждению: 13,8 млрд лет назад Вселенная была маленькой и горячей, и с тех пор она непрерывно расширяется и остывает. Остальное предсказывают более современные расширения теории Большого взрыва: Стандартная космологическая модель ЛCDM плюс инфляционная модель Вселенной.
Выделяют «четыре столпа», на которых держится теория Большого взрыва:
Космологическое красное смещение в спектре излучения галактик, указывающее на расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла.
Реликтовое излучение, предсказанное в 1948 г. Георгием Гамовым и открытое в 1965 г. американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном из лаборатории Bell Labs. Впоследствии спутники COBE, WMAP и Планк с большой точностью измерили его температуру, поляризацию и анизотропию, подтвердив все теоретические расчёты. До недавних пор следы космического микроволнового излучения можно было увидеть на экранах аналоговых телевизоров – на него приходилось около 1% белого шума, с пиковой частотой 160,4 ГГц.
Спектральный анализ излучения далёких галактик, позволяющий узнать их химический состав. Все данные подтверждают предсказанное теорией Большого взрыва распределение и относительное содержание лёгких элементов – 75% водорода, 25% гелия и небольшие доли процента дейтерия и лития, образовавшихся в ходе первичного нуклеосинтеза. Элементы тяжелее лития возникли позже в ходе звёздного нуклеосинтеза, а также во взрывах сверхновых и гиперновых.
Современные модели формирования и эволюции галактик, их скоплений и сверхскоплений, то есть крупномасштабной структуры Вселенной, полностью укладываются в динамику расширения Вселенной согласно теории Большого взрыва.
Миф №2. Куда расширяется Вселенная и где центр Большого взрыва?
Большой взрыв – это не взрыв бомбы посреди пустого пространства. Его неправильно представлять как расширение материи из некого центра в окружающий вакуум или как распространение ударной волны изнутри наружу – вне Вселенной никакого пространства нет, ей просто некуда расширяться. Как объясняет американский астрофизик Итан Сигель,
«Не существует места, с которого Вселенная начала расширяться из-за Большого взрыва; существует время, с которого Вселенная начала расширяться. Именно это и есть Большой Взрыв – условие, влияющее на всю наблюдаемую Вселенную в определённый момент. Поэтому смотреть на дальние расстояния во всех направлениях – значит, смотреть в прошлое. Поэтому у всех направлений примерно одинаковые свойства. И поэтому нашу историю космической эволюции можно отследить назад, так далеко, как далеко могут заглянуть наши наблюдения».
У Большого взрыва нет центра – он произошёл одновременно во всех точках пространства. Нет у него и границы – космологический горизонт является условной сферой, отделяющей от нас объекты, удаляющиеся со скоростью выше скорости света. В процессе расширения Вселенной материя никуда не движется – расширяется только пространство между галактиками, а сами галактики и всё, из чего они состоят, не расширяются благодаря силе гравитации. Лучше всего представлять галактики нарисованными на двумерной поверхности воздушного шарика. Тогда при надувании шарика все они будут удаляться друг от друга и размываться, что наглядно иллюстрирует космологическое красное смещение.
Миф №3. Вселенная не расширяется и галактики от нас не удаляются – это мы сами сужаемся вместе с галактиками и частицами, из которых они состоят.
Можно подумать, что вместе со Вселенной должны расширяться и мы заодно с планетой Земля, Солнечной системой и галактикой Млечный путь. Но в таком случае мы бы не заметили никакого расширения, поскольку его не с чем было бы сравнить – все наши «линейки» тоже расширялись бы. В качестве единиц длины мы используем расстояния в связанных системах, и считаем их постоянными. Когда удалённые несвязанные галактики удаляются друг от друга, мы называем это расширением Вселенной, скорость которого меняется со временем. Размеры самих галактик не меняются, потому что их удерживает от расширения собственная гравитация. Но что, если считать расстояния между несвязанными галактиками постоянными, а все наши меры длины в связанных системах – сжимающимися со временем? Если в расширяющейся вселенной увеличивается объём пустого пространства, то в стационарной эволюционирующей вселенной будут сокращаться размеры, массы и энергии всего её содержимого. Можно представить неизменное пространство в виде плоскости, тогда массивные объекты вроде галактик будут продавливать в нём гравитационные колодцы и падать в третье измерение, отдаляясь от нас и уменьшаясь в размерах. То есть Вселенная статична и постоянна в объёме, а масштабы длины, времени и массы эволюционируют вместе с фундаментальными константами (постоянная Планка, гравитационная постоянная, константа тонкой структуры, массы, заряды, размеры частиц и т.д.).
Универсальность физических законов лежит в основе современной космологии наравне с космологическим принципом, согласно которому в больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т.е. выглядит одинаково во всех направлениях независимо от местоположения наблюдателя. Оба постулата проверены наблюдениями с погрешностью порядка 10-5: первый – поиском возможного отклонения постоянной тонкой структуры на протяжении большей части возраста Вселенной, второй – наблюдением температуры реликтового излучения. Гипотеза изменяющихся физических констант была предложена Полем Дираком ещё в 1937 г., но пока наблюдения за атомными спектрами в разных космологических эпохах её не подтверждают. Физики уже десятилетиями измеряют разные свойства элементарных частиц, уточняя их и сравнивая с предыдущими результатами, чтобы удостовериться, что они действительно постоянны. Так вот, магнитный момент электрона с 2007 по 2022 гг. варьировался менее чем 1 часть на триллион – значит, постоянная тонкой структуры не изменилась. Спин-флип переход водорода по измерениям с 1951 г. имеет погрешность всего 1,4 части на триллион – значит, постоянная Планка не изменилась. А эквивалентность инерционной и гравитационной массы по состоянию на 2017 г. подтверждена с точностью до 1 части на квадриллион – значит, гравитационная постоянная не изменилась.
Впрочем, изменения можно обнаружить только относительно эталона – некой постоянной величины. Если же все известные константы изменяются во времени пропорционально и симметрично, для наблюдателя такая вселенная будет неотличима от расширяющейся. Мы бы всё так же видели красное смещение и удаление галактик, но это происходило бы не из-за расширения пространства, а из-за изменения свойств наших измерительных приборов вместе с мерами длины, времени и массы. Попытки модифицировать общую теорию относительности и построить новую космологию с меняющимися константами в неискривлённом пространстве-времени Минковского или в теориях квантовой гравитации уже предпринимались. Одним из примеров является теория Стивена Вольфрама, которую я разбирал в предыдущей статье: фундаментальным в ней является пространственный гиперграф, а частицы – это топологические дефекты в его структуре, обладающие переменными свойствами (размерами, массами и силой взаимодействия). Эта модель полностью эквивалентна в предсказаниях модели расширяющейся вселенной, но что она нам даёт? Вместо объяснения природы одной космологической константы (тёмной энергии) нам придётся объяснять, почему все остальные константы эволюционируют так синхронно, что создают иллюзию расширения вселенной. Тогда почему мы должны брать пространство-время за абсолютную систему отсчёта и считать частицы уменьшающимися относительно него?
Миф №4. Мы не можем узнать, что было до Большого взрыва.
Крайний предел, за который мы в принципе не можем заглянуть при помощи телескопов – это поверхность последнего рассеяния. Она свидетельствует о том, что 13,8 млрд. лет назад наблюдаемая Вселенная была горячей, плотной и непрозрачной для света. Как только произошла рекомбинация (образование атомов), первичный свет отделился от материи и дошёл до нас в виде реликтового излучения – космического микроволнового фона плотностью 0,25 эВ или 4*10-14 Дж/м³, т.е. примерно 400-500 фотонов/см³. Его карта, полученная телескопами WMAP и «Планк», является картой температурных флуктуаций (отклонений) ранней Вселенной, которые в конечном итоге привели к формированию крупномасштабной структуры: сверхскоплений и скоплений галактик. Разница температур между синими и красными пятнами на карте – стотысячная градуса. Больше информации о тех временах может дать исследование реликтовых нейтрино и первичных гравитационных волн, но у нас пока нет технической возможности их обнаружить. Тем не менее, учёные экстраполируют данные, полученные при изучении реликтового излучения, на более ранние времена. Зная динамику расширения Вселенной, можно проследить этот процесс вплоть до самого начала. Информацию о свойствах материи в условиях экстремальной температуры и плотности даёт Стандартная модель квантовой механики.
Миф №5. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная конечна во времени и у неё есть начало.
Ничего подобного. Фактически ни одна из современных космологических моделей не утверждает, что когда-то Вселенной не было. Потому что понятие «Вселенная» включает в себя не только материю, но и вакуум, энергию вакуума и квантовые поля, а они, скорее всего, в той или иной форме существовали всегда. Если же говорить о наблюдаемой Вселенной, ограниченной космологическим горизонтом, то о ней известно лишь то, что 13,8 млрд. лет назад она была маленькой, горячей и плотной. Относительно более ранних событий возможны вариации. Самая популярная среди космологов теория инфляции говорит о том, что Вселенная могла быть спонтанно создана из ничего (без пространства, времени и материи) квантовыми флуктуациями метастабильного ложного вакуума, вызывающими расширение пузыря истинного вакуума. Впрочем, она не исключает, что Большому взрыву предшествовали другие вселенные, просто мы никак не можем это проверить.
Существуют и другие, более экзотические предположения, но они уступают инфляционной модели в степени проработки и в предсказательной силе. Есть модель Конформной циклической космологии Роджера Пенроуза, где Большой взрыв знаменует собой конец предыдущего цикла (или эона) и начало следующего. Есть теория Большого отскока струнных теоретиков Габриэле Венециано и Маурицио Гасперини, где Вселенная как бы пульсирует, сменяя фазы расширения и сжатия, но никогда не схлопывается в сингулярность – при достижении критической плотности и температуры происходит отскок, и снова начинается расширение. Есть вариант теории Большого разрыва, в котором тёмная энергия разрывает Вселенную на части и затем порождает из каждой из них новую вселенную. Космолог Ли Смолин утверждает, что вселенные образуются от взрыва сингулярности внутри чёрных дыр, а струнный теоретик Нейл Турок предложил экпиротический сценарий рождения Вселенной в результате столкновения двух многомерных «бран». Обратите внимание, что ни одна из этих теорий не отрицает самого факта Большого взрыва, просто не считает его началом Вселенной.
Миф №6. Теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная возникла из сингулярности – безразмерной точки с бесконечной плотностью и температурой.
Данное предположение уже 40 лет как устарело. Раньше слово «сингулярность» применяли везде, где переставали работать известные законы физики. Сейчас учёные стараются его всячески избегать, поэтому приходится строить альтернативные гипотезы. Сингулярность – это когда какая-то физическая величина стремится к бесконечности, когда в уравнениях происходит деление на ноль и когда рушатся любые разумные объяснения. Общая теория относительности предсказывает её образование в чёрных дырах, где плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными. В 1968-1970 гг. Стивен Хокинг, Роджер Пенроуз и Джордж Эллис математически доказали, что во всех релятивистских моделях Большого взрыва Вселенная неизбежно начинается с точки сингулярности. Проблема в том, что плотность и температура не могут одновременно стремиться к бесконечности: чем выше температура, тем выше энтропия, а чем выше плотность, тем энтропия ниже. К счастью, общая теория относительности не даёт точных предсказаний для высокоэнергетической среды ранней Вселенной, в таких условиях вступает в силу квантовая механика.
В современных инфляционных моделях Большого взрыва Вселенная начинает расширяться с микроскопического, но всё же ненулевого объёма. Предполагается, что в Планковскую эпоху, то есть от нуля до 10-43 с, Вселенная имела планковский радиус (10-35 м), планковскую температуру (1032 К), планковскую плотность (1093 г/см³) и планковскую массу (10-8 кг). Что было до этого, наши физические теории описать не могут. Часто можно услышать цитату Стивена Хокинга: «Бог не мог создать Вселенную за семь дней, так как у него не было времени, ведь до Большого Взрыва времени не существовало».
Действительно, до Большого взрыва не было ни времени, ни пространства. Вселенная с нулевым радиусом – это отсутствие вселенной. Также не имеет смысла и понятие времени, когда ничего не происходит. Но это не «ничто» и не абсолютное небытие, поскольку оно подчиняется законам квантовой физики. Ведь пустота на самом деле полна виртуальными частицами, как вы знаете из моей статьи «Вакуум – пустота или полнота?».
Миф №7. Как всё могло образоваться из ничего?
Всё из ничего – это, мягко говоря, упрощённое представление. Даже в самых консервативных моделях Вселенная возникает не на пустом месте, а из квантовых флуктуаций вакуума. Вакуум, как известно из квантовой теории поля, не является пустым пространством, а состоит из флуктуаций квантовых полей в их основном состоянии – «виртуальных» частиц. О том, как флуктуации порождают сложность и сколько нужно времени для материализации предметов из вакуума, я рассказывал в статье «Бесконечные обезьяны, больцмановские мозги и другие чудеса статистической механики». За очень долгое время в вакууме могут появляться любые возможные частицы и поля с любыми значениями энергии-массы, но чем больше эти значения, тем быстрее они аннигилируют. Впрочем, достаточно крошечного нарушения симметрии между материей и антиматерией, чтобы аннигиляция оказалась не полной и какая-то часть вещества «выпала в осадок» в виде реальных частиц. Наиболее удачно этот принцип описал космолог Лоуренс Краусс: «при правильных условиях что-то не только может появиться из ничего, но и должно», поскольку «то, что явно не запрещено, гарантированно произойдет».
Согласно фридмановской модели Большого взрыва, Вселенная расширялась из сингулярного состояния с бесконечной кривизной и бесконечной плотностью материи. Но почему она вообще стала расширяться? Ведь она могла в любой момент коллапсировать обратно в сингулярность ещё на ранней стадии Большого взрыва, когда находилась под своим гравитационным радиусом. Обычно говорят, что для образования чёрной дыры материя должна распределяться неравномерно, а ранняя Вселенная была крайне однородной и заполняла всё существующее пространство. На самом деле всё зависит от соотношения сил гравитации и энергии вакуума. Если большая масса сосредоточина в малом объёме, гравитация берёт верх и приводит к коллапсу в точку. Если масса поменьше, а радиус большой, доминирует энергия вакуума, обеспечивая расширение. Критическое соотношение массы и радиуса, между сжатием и расширением, создаёт энергетический барьер, подобный кулоновскому барьеру отталкивания одинаково заряженных ионов в ядре звезды. Но в квантовой механике всегда есть ненулевая вероятность преодоления такого барьера путём туннелирования – именно так сливаются ядра атомов водорода, запуская процесс звёздного нуклеосинтеза. Подробнее я объяснял это в статье «Квантовое туннелирование, телепортация, квантовый интернет».
Аналогично и с флуктуациями квантовой пены: есть вероятность, что вселенная не коллапсирует в сингулярность, а туннелирует сквозь барьер и приобретёт больший радиус. Это случайный, неунитарный «квантовый скачок», подобный распаду радиоактивного атома или квантовому переходу электрона с высокой орбитали на низкую. В данном случае происходит квантовый переход из вакуумного состояния с более высокой энергией в вакуумное состояние с более низкой энергией, сопровождающийся излучением избытка энергии. Гипотезу о возможности возникновения звезды путём квантового перехода в вакууме, за счёт компенсации положительной энергии-массы отрицательной энергией её гравитационного поля, впервые высказал в 40-х гг. Паскуаль Йордан. Когда Георгий Гамов рассказал об этом Альберту Эйнштейну, тот «остановился как вкопанный, и, поскольку мы переходили улицу, нескольким машинам пришлось остановиться, чтобы не сбить нас». В 1973 г. Эдвард Трайон опубликовал в журнале Nature статью с предположением, что сама Вселенная возникла в результате крупномасштабной квантовой флуктуации энергии вакуума, и что её положительная масса-энергия точно уравновешивается отрицательной гравитационной энергией. Так было положено начало квантовой космологии, дополнявшей картину традиционной релятивистской космологии.
В принципе эти теории давали исчерпывающую характеристику самого момента Большого взрыва и даже его возможных причин. Но они долгое время не могли объяснить проблему горизонта: как так получилось, что реликтовое излучение повсюду имеет практически одинаковую температуру? Области космического микроволнового фона с разных сторон нашего космологического горизонта удалены друг от друга на 93 млрд св. лет и разделены взаимным горизонтом. Как они могли прийти в состояние теплового равновесия, если никогда между собой не контактировали? Не менее остро стояла проблема плоской Вселенной: почему её средняя плотность близка к критической, а кривизна пространства равна нулю? Наконец, теория Великого объединения предсказывала образование в ранней Вселенной магнитных монополей, которых должно быть по массе больше, чем протонов, нейтронов и электронов вместе взятых. А мы до сих пор не обнаружили ни одного монополя, не говоря уже о топологических дефектах и прочих экзотических реликтах из Эпохи великого объединения.
Для решения этих проблем в 1979-1981 гг. Алексей Старобинский и Алан Гут независимо друг от друга предложили гипотезу инфляции, или инфляционную модель Большого взрыва. Главная её идея состоит в том, что в самом начале Большого взрыва Вселенная молниеносно «раздулась», увеличившись на 28 порядков. За такое короткое время в её структуре не успели образоваться неоднородности, способные повлиять на дальнейшее распределение вещества, поэтому Вселенная до сих пор однородна и изотропна, то есть одинакова во всех направлениях. В ходе инфляции любые проявления начальных условий полностью стираются – вот почему инфляцию сравнивают с отпущением грехов. Если в Эпоху великого объединения и образовались какие-нибудь монополи, инфляция мгновенно унесла их за космологический горизонт. В то же время инфляция «заморозила» исходные квантовые флуктуации, растянула их и сделала классическими. В результате они сохранились до наших дней в виде температурных флуктуаций реликтового излучения. Космолог Олег Верходанов называл их генетическим кодом Вселенной. Если бы их не было, материя распределилась бы в пространстве равномерно, и гравитация не смогла бы сформировать первые звёзды и зародыши галактик. Вселенная была бы заполнена одним газом в состоянии теплового равновесия. А так небольшие квантовые отклонения в энергии переходят в температурные отклонения и отпечатываются на реликтовом излучении.
Вместо метрики Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW) для описания инфляционной вселенной используется метрика де Ситтера с положительной космологической константой – тем самым лямбда-членом, от которого пришлось отказаться Эйнштейну. В экспоненциально расширяющемся пространстве де Ситтера энергия вакуума имеет отрицательное давление, равное по величине её плотности энергии: p=−ρ. Поэтому любая пара несвязанных объектов, изначально свободно плавающих в состоянии покоя, будут удаляться друг от друга с ускорением. Каждый объект окружён сферическим горизонтом событий, пересекая который, другой объект никогда не может вернуться, и даже посылаемые им световые сигналы никогда не достигнут первого объекта. Поэтому пространство-время де Ситтера напоминает вывернутую наизнанку чёрную дыру Шварцшильда.
Алан Гут предположил, ранняя Вселенной находилась в ловушке метастабильного ложного вакуума с высокой плотностью энергии, из которого она могла выйти посредством квантового туннелирования. В процессе распада ложного вакуума образуются пузыри истинного вакуума, быстро расширяющиеся со скоростью света. «Старая» инфляционной модель предсказывала, что ложный вакуум распадается на пустые пузыри истинного вакуума, которые сами по себе не генерируют излучение для нагрева Вселенной – это может происходить только при столкновении пузырей. Однако в условиях инфляции пузыри отдалялись бы друг от друга слишком быстро, не успевая объединиться. Ещё одна проблема «старой» инфляции заключалась в том, что она не предусматривала механизма завершения инфляции – однажды начавшись, инфляция продолжалась бесконечно.
В 1982 г. «проблема изящного выхода» из инфляции была решена Андреем Линде, Андреасом Альбрехтом и Полом Стейнхардтом в «новой», или «медленной» инфляционной модели. В этой теории инфлатонное поле распадается не резким квантовым переходом, а медленной унитарной эволюцией – постепенным скатыванием по пологому склону потенциальной энергии. Обычно это изображается в виде шарика, который находится на высоком плато, но при нарушении равновесия сваливается во впадину. Другая аналогия – скатывающийся с горы снежный ком, который нарастает по мере движения и разбивается на части, достигнув дна. При этом гора может иметь достаточно сложный рельеф: несколько разных минимумов, долины, холмы и кочки. Каждый «истинный» вакуум может снова оказаться ложным и «пробить» очередное дно. Однако, когда холм становится круче, инфляция заканчивается и может произойти повторный нагрев.
Миф №8. Что могло взорваться, если до Большого взрыва ничего не было? Откуда взялась энергия для Большого взрыва?
В «новой» инфляционной теории началом всего считается скалярное поле – поле инфлатона, в котором повсюду была одинаковая напряжённость. Собственно, скалярное поле – это когда каждой точке пространства соответствует какое-то числовое значение, в данном случае – энергия. В качестве аналогии можно привести поверхность Земли, каждая точка которой имеет определённое значение высоты над уровнем моря. В физике единственным открытым на данный момент скалярным полем является поле Хиггса, остальные поля (электромагнитное, глюонное, гравитационное и др.) – векторные, спинорные или тензорные, то есть кроме напряжённости имеют ещё и другие параметры. Согласно квантовой теории поля, у каждого поля есть свой квант – элементарная частица с определённой массой, зарядом, спином и т.д. Первичному скалярному полю соответствует гипотетическая частица инфлатон, которая предположительно имеет массу порядка 10^16 ГэВ и нулевой спин.
Существовало ли поле инфлатона всегда, или оно образовалось в конце Эпохи Великого объединения в результате разделения сильного и электрослабого взаимодействий – этого мы не знаем, поскольку предшествовавшая инфляции Планковская эпоха выходит за рамки предсказаний КТП и ОТО. Известно только, что перед началом инфляции Вселенная имела размер 10-54 см и возраст 10-37 секунды. Кроме скалярного поля в пространстве ничего не было, но из-за высокой плотности энергии оно находилось в метастабильном состоянии ложного вакуума, норовящего при первой же возможности скатиться к истинному вакууму с нулевой энергией. Этот фазовый переход напоминает мгновенное замерзание перехолаждённой воды, когда её выводят из равновесия. Да, как это ни странно, Большой взрыв начался с переохлаждения – из-за быстрого раздувания температура Вселенной упала примерно в 100000 раз, с 1027 К до 1022 К.
В электромагнитном поле любые возникающие неоднородности (флуктуации) быстро сглаживаются в результате короткого замыкания. Например, образуется молния. В первичном скалярном поле этого не происходит из-за высокого отрицательного давления (антигравитации), связанного с высокой плотностью и однородностью распределения энергии. Чем выше энергия инфлатона, тем больше его флуктуации. И если в нём в результате квантовых флуктуаций образуется «пузырь» с низкой напряжённостью, отрицательное давление не даст полю быстро разрядиться. Пока потенциал «пузыря» будет падать, он успеет раздуться до огромных размеров.
За каких-то 10-35 с Вселенная экспоненциально увеличилась в 1028 раз в диаметре и в 1078 раз в объёме, из энергетического сгустка планковских размеров до сверхплотного шарика диаметром 17 см. Это и была инфляция, которая в одних моделях предшествует Большому взрыву, а в других является его «холодной» стадией. Во время инфляции значение постоянной Хаббла составляло от 1036 до 1042, а скорость расширения Вселенной на несколько порядков превышала скорость света, что не противоречит теории относительности, поскольку никакая материя в пространстве ещё не передвигалась – растягивалось само пространство. Если бы во Вселенной уже существовали элементарные частицы, они были бы разделены горизонтами и не взаимодействовали между собой, поскольку расстояние между частицами (радиус горизонта) было больше возраста Вселенной, умноженного на скорость света.
Откуда же взялась энергия для образования всех частиц наблюдаемой вселенной, если инфлатон весил не больше пылинки? Дело в том, что для одной материи закон сохранения энергии в расширяющейся Вселенной не соблюдается. Если давление вакуума положительно, плотность вещества по мере расширения Вселенной падает как третья степень, а излучения – как четвёртая. Когда линейный размер Вселенной увеличивается в 10 раз, объём увеличивается в 1000 раз, плотность вещества падает тоже в 1000 раз, а плотность излучения (в т.ч. реликтового) падает в 10000 раз – фотоны не только рассеялись в большом объеме, но ещё и покраснели.
Однако существует ещё гравитационная энергия, которая всегда отрицательна по отношении к массе-энергии – как потенциальная энергия тела, лежащего на поверхности Земли, по отношению к нулевой энергии тела, летающего в космосе вдали от гравитационных полей. Это доказал в 1987 г. Алан Гут в книге «Инфляционная Вселенная». А в 1995 г. Винод Джохри доказал гипотезу о Вселенной нулевой энергии: полная энергия любой вселенной, описываемой метрикой Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера, равна нулю. Закон сохранения энергии не нарушается, поскольку из нуля возникли как положительная масса, так и отрицательная гравитационная энергия, которые в точности друг друга компенсируют. Сумма энергии вещества и гравитационной энергии сохраняется, но она равна нулю. «Если инфляция права, всё может возникать из ничего или, по крайней мере, из очень малого. Если инфляция права, Вселенная может быть названа, в конечном счёте, бесплатным обедом» - говорит Алан Гут.
Итак, в ходе инфляции напряжённость скалярного поля упала почти до нуля, среди ложного вакуума образовался «пузырь» истинного вакуума. Из-за его мгновенного раздувания пространство-время сильно искривилось, образовалось много отрицательной гравитационной энергии. Для её компенсации положительная энергия скалярного поля «выпадает в осадок» в виде элементарных частиц. Оставшаяся часть поля инфлатона превратилась в поле Хиггса, которое обеспечило этим частицам массу. В одно мгновение из вакуума образовалось 1050 кг материи и эквивалентное количество гравитационной энергии. От этого Вселенная разогревается до температуры 1032 К, и начинается фаза термализации или «горячего» Большого взрыва. Экспоненциальная инфляция прекращается, дальше Вселенная расширяется уже по инерции. Но есть ещё один остаток поля инфлатона – тёмная энергия. Её количество напрямую зависит от объёма пустого пространства, и когда его становится достаточно, Вселенная начинает расширяться с ускорением.
Миф №9. Большой взрыв – событие уникальное и неповторимое.
У нас нет никаких свидетельств того, что Большой взрыв произошёл лишь однажды. В 1983 г. Пол Стейнхардт обнаружил, что инфляция не обязательно должна заканчиваться везде. Она может закончиться только в локальном пузыре, наполняя его материей и излучением, но в большей части Вселенной инфляция будет продолжаться, порождая новые пузыри. Затем Александр Виленкин показал, что при правильном включении квантовых эффектов такой сценарий является общим для всех моделей «новой» инфляции. Даже если в какой-то области пространства инфляция замедляется, в другой области квантовые флуктуации окажутся достаточно большими, чтобы задержать её окончание. Пока в одном локальном пузыре энергия скалярного поля конденсируется в частицы, инфляция за его пределами продолжается и в считанные мгновения останавливает расширение этого пузыря, а другие пузыри уносит от него на огромные расстояния. В итоге мы получаем огромное пространство экспоненциально расширяющегося мира, в котором плавают крошечные острова, заполненные горячим веществом и излучением.
В 1986 г. Андрей Линде обобщил инфляционную космологию в своей теории вечной хаотической инфляции. Она предполагает непрерывное образование новых вселенных из флуктуаций единого скалярного поля. Согласно этой теории, существует бесконечная мультивселенная (Андрей Линде использует термин «многоликая вселенная»), похожая на швейцарский сыр. На её просторах хаотически происходят разряды скалярного поля, и каждый раз это приводит к образованию «пузыря» новой вселенной и локальному большому взрыву. Наша наблюдаемая вселенная – всего лишь один из множества таких «пузырей», в каждом из которых скалярное поле разряжается по-своему, уникальным образом, создавая вариации в значении фундаментальных констант и в законах физики. Например, разная энергия поля Хиггса даёт разные массы частиц и как следствие разные силы взаимодействий, а разное значение космологической константы даёт разную скорость расширения вселенной.
В локальных вселенных потенциал поля падает и инфляция замедляется, но в пространстве между ними скалярное поле находится в высокоэнергетичном состоянии. Инфляция там происходит с постоянным ускорением, поэтому расстояние между новообразованными вселенными за считанные доли секунды увеличивается в 1050 раз, и скорость удаления растёт дальше пропорционально расстоянию. Поэтому никакие взаимодействия между инфляционными вселенными невозможны – области с инфляцией невообразимо больше, чем области, где она остановилась. Вечная инфляция создаёт бесконечную мультивселенную, в которой лишь незначительный объем фрактально почкующихся пузырей истинного вакуума завершает инфляцию. «Трудно построить модели инфляции, которые не приводят к мультивселенной» - говорит Алан Гут. Андрей Линде с ним соглашается: «можно придумать модели инфляции, которые не допускают мультивселенную, но это сложно. Каждый эксперимент, который повышает доверие к инфляционной теории, приближает нас к намёкам на реальность мультивселенной».
Если наша Вселенная возникла из квантовой флуктуации, это неизбежно приводит нас к инфляционной мультивселенной. В квантовой теории нельзя предсказать, какие из возможностей реализуются, можно только подсчитать их вероятности. Из вакуума с наибольшей вероятностью может возникает вселенная планковских размеров, которая сколлапсирует обратно за планковское время. Чем больше флуктуация, тем меньше её вероятность. Чтобы появилась вселенная размером с нашу, требуется множество попыток. Значит, из вакуума образуется множество вселенных со всеми возможными начальными состояниями. Большинство из них – это недолговечные миры планковских размеров, составляющие «квантовую пену». Такие миры непрерывно рождаются в вакууме прямо здесь, рядом с нами, но мы просто не успеваем провзаимодействовать с ними. Более крупные флуктуации слишком маловероятны, но в бесконечном скалярном поле инфлатона они то и дело случаются, надувая в следствие квантового туннелирования пузыри истинного вакуума с собственным пространством-временем.
Миф №10. Инфляция и мультивселенная – недоказуемые и неопровержимые гипотезы
Статус теории инфляции остаётся достаточно спорным, но у неё есть все шансы быть подтверждённой или опровергнутой наблюдательными фактами. В этом её преимущество перед гипотезой возникновения Вселенной из точки сингулярности, о природе которой наука в принципе ничего сказать не может. Сверхгоризонтные флуктуации реликтового излучения, которые превосходят по размеру наблюдаемую вселенную, однозначно опровергают сингулярную модель Большого взрыва и свидетельствуют в пользу инфляционной модели. Поэтому большинство космологов считают её лучшей моделью зарождения Вселенной из тех, что у нас есть.
С другой стороны, некоторые учёные выступают с критикой инфляции. Среди них – Роджер Пенроуз, утверждающий, что инфляция требует более точной настройки и специфических начальных условий, чем просто Большой взрыв. По его расчётам, вероятность того, что Вселенная окажется в состоянии с такой низкой энтропией, составляет 1 к 10^10^123. Поэтому мир без инфляции более вероятен, чем мир с инфляцией. В ответ Андреас Альбрехт и Лоренцо Сорбо утверждают, что «затравочное» количество негравитационной энергии, необходимое для запуска инфляции, намного меньше, чем для неинфляционной альтернативы, что перевешивает любые энтропийные соображения. Следовательно, вероятность инфляционного космоса, возникающего в результате случайной флуктуации из некоторого предсуществующего состояния, намного выше, чем вероятность неинфляционного космоса.
Один из создателей инфляционной теории Пол Стейнхардт стал одним из главных её критиков из-за того, что она предсказывает всё, что угодно, и её можно подогнать под любые данные, а значит, она не является научной теорией, как и гипотеза мультивселенной. В мире с вечной инфляцией бесконечное число пузырей будут обладать свойствами, которые мы наблюдаем, но бесконечное же число не будут ими обладать. По словам Алана Гута, «В мире с вечной инфляцией всё, что может случиться, случается, причем случается бесконечное число раз». Но чтобы теория была научной и обладала предсказательной силой, она должна давать больше предсказаний на выходе, чем было загружено параметров на входе. В случае с инфляцией исходные параметры больше и сложнее, чем те несколько чисел, значения которых она предсказывает – это больше похоже на подгонку данных.
Действительно, однородность крупномасштабной структуры и космического микроволнового фона, скалярный спектральный индекс чуть меньше единицы, несохранение барионного числа и «плоское» пространство-время – это наблюдательные факты, которые теория объясняет, а не предсказывает. Существуют сотни моделей инфляции с разными начальными условиями и разной потенциальной энергией скалярного поля, и все они согласуются с этими данными. В отличие от модели новой циклической космологии, предложенной Стейнхардтом и Туроком в качестве альтернативы инфляции. Если до Большого взрыва существовала другая вселенная, она должна была оставить отпечаток в реликтовом излучении и крупномасштабной структуре нашей вселенной: повторяющиеся узоры, концентрические круги и другие закономерности. Но наблюдения COBE, WMAP и Planck не обнаружили ничего подобного: реликтовое излучение совершенно хаотично, как предсказывает теория инфляции.
Струнные теоретики не смогли вывести в своей М-теории основное состояние квантовых полей (вакуум) и сошлись на том, что существует порядка 10500 метастабильных состояний, каждое из которых может выглядеть вакуумом в течение длительного периода времени, даже если в конечном счёте он распадётся или перейдёт в одно из других метастабильных состояний. Это называется ландшафтом теории струн. Теория вечной инфляции допускает физическую реализацию каждого из 10500 состояний вакуума в отдельной вселенной со своими физическими константами, ещё и в бесконечном количестве копий. Хотя диапазон плотностей энергии вакуума варьируется в очень широком диапазоне, от -10120 до +10120, среди этого множества найдётся 10380 различных видов вселенных, которые имеют наблюдаемую плотность энергии вакуума. Проблема не в том, что хаотическая инфляция порождает бесконечное число вселенных, а в том, как назначить распределение вероятностей этому космологическому ландшафту.
Более конкретные предсказания, которые могли бы однозначно подтвердить или опровергнуть инфляцию – это поляризация реликтового излучения реликтовыми нейтрино и первичными гравитационными волнами. Как известно, электромагнитное излучение имеет электрическую (Е) и магнитную (B) составляющие. Соответственно в поляризации фотона выделяют Е-моды (градиентный режим без завихрений) и В-моды (вихревой режим без дивергенции). В первом случае частицы исходят из определённой точки в центре (например, при томсоновском рассеянии), во втором – закручиваются вправо или влево вокруг определённой точки (например, при воздействии гравитационных волн). Е-моды поляризации реликтового излучения были обнаружены в 2002 г. интерферометром DASI и с тех пор активно исследуются в контексте их связи с температурными флуктуациями (ET-корреляции). Поиски В-моды, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь 0,1 мкК, пока не увенчались успехом. В 2014 г. эксперименты BICEP2 и POLARBEAR нашли признаки вихревой поляризации реликтового излучения, но более детальный анализ показал, что их можно списать на шум от галактической пыли.
Ещё один способ проверить инфляционную теорию – воспроизвести распад ложного вакуума в лаборатории. В 2024 г. международная группа ученых под руководством Иэна Мосса и Тома Биллама из Университета Ньюкасла смоделировала образование пузырей распада ложного вакуума в специально подготовленной атомной системе. Аналогом метастабильного квантового поля служил переохлаждённый газ из атомов лития, помещённый в магнитную ловушку. При температуре менее микрокельвина от абсолютного нуля газ переходит в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна – «ложный вакуум». Учёные запустили его распад путём термической активации и зарегистрировали с помощью лазеров «пузыри» истинного вакуума, в которых газ имел другие характеристики. На следующем этапе планируется смоделировать аналогичный процесс при температуре около абсолютного нуля, когда распад ложного вакуума запускается квантовым туннелированием.
В феврале 2025 г. группа физиков под руководством профессора Златко Папича из Университета Лидса и доктора Яки Водеба из Исследовательского центра Юлиха смоделировала распад ложного вакуума с помощью квантового отжигателя D-Wave на 5564 сверхпроводящих потоковых кубитах. Запуская на нём «отжиг» (плавное изменение магнитных полей), можно «скатывать» систему в энергетический минимум или переводить её через барьер. Учёные запрограммировали массив кубитов так, чтобы он вёл себя как метастабильный ложный вакуум. Затем систему аккуратно «толкнули», провоцируя квантовый переход к состоянию истинного вакуума. В результате на матрице кубитов появился «пузырь» истинного вакуума, растущий и поглощающий ложный вакуум в полном соответствии с предсказаниями теории.
Миф №11. Вселенная не могла возникнуть сама по себе без участия Творца.
Некоторые теологи видят в теории Большого взрыва подтверждение доктрины сотворения мира. Атеисты возражают, что Вселенная не имела первого состояния, которое Бог мог бы создать, ведь до Большого взрыва не было даже времени. На самом деле споры эти бессмысленны, поскольку гипотеза сотворения в принципе неопровержима: она согласуется с любыми космологическими моделями и наблюдательными фактами. Ведь Творец мог как запустить эволюцию Вселенной с нуля Большим взрывом, так и создать уже готовую «старую» Вселенную на любом этапе её эволюции – хоть 6000 лет назад, хоть в прошлый четверг. С таким же успехом он мог сотворить Вселенную вечной и стационарной, циклической или отскакивающей, какой угодно – вплоть до целой мультивселенной. Впрочем, есть гипотезы, которые варьируется ещё легче, чем идея монотеистического Творца. Например, философия пантеизма, отождествляющая Бога с природой и космосом, или индуистское учение о Брахмане как абстрактном, безликом Абсолюте, который объемлет в себе всё возможное и невозможное.
Обычно на вопрос «есть ли у Вселенной Создатель?» учёные уклончиво отвечают так: его существование допустимо, но необязательно. Даже атеист Стивен Хокинг говорил, что «В точке Большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а поэтому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной». То есть акт творения можно рассматривать в качестве гипотезы, но особой необходимости в ней нет, согласно принципу бритвы Оккама. Законы физики позволяют таким вселенным, как наша, возникать самим по себе, и этот сценарий выглядит более правдоподобным. Другой вопрос: почему наша Вселенная имеет именно такие законы физики и именно такие значения фундаментальных констант? Ведь они вполне могли бы быть другими, и тогда возникновение жизни и разума было бы невозможным. Здесь мы сталкиваемся с проблемой тонкой настройки, которая будет подробно рассмотрена в одной из следующих статей. Пока лишь отметим, что создание новых вселенных – не такая уж сложная задача, и в будущем, вероятно, мы и сами освоим этот процесс. Так может, нашу Вселенную создал не всемогущий Бог-Творец, а какой-нибудь учёный-экспериментатор из вселенной уровнем выше? По крайней мере, так думает профессор Ави Лёб из Гарвардского университета.
На первый взгляд сотворение вселенной – нетривиальная задача, которая по силам только божественному сверхразуму. Но инфляционная теория говорит, что это может быть не так уж и сложно. Необходимые ингредиенты – немного энергии-массы и скалярное поле, способное находиться в двух состояниях: основном (истинный вакуум) и метастабильном (ложный вакуум). С энергией-массой проблем возникнуть не должно: достаточно от нескольких планковских масс (порядка 10-5 г) согласно теории хаотической инфляции до 100 кг согласно теории Великого объединения. Так, в 1990 г. Эдвард Фархи, Алан Гут и Джемаль Гувен рассчитали, что для запуска инфляции и образования в ложном вакууме вселенной с начальный радиусом около 10-24 см и массой примерно 10 кг понадобится 1014 ГэВ энергии – вполне достижимая цель для коллайдеров.
Со скалярным полем дела обстоят сложнее: нам известны только поле Хиггса и гипотетическое поле тёмной энергии. И то, и другое могут находиться в метастабильном состоянии и туннелировать из него в основное состояние. Пока единственный известный нам способ создания пузыря истинного вакуума – это просто нагреть ложный вакуум до критической температуры. Но нам бы не хотелось, чтобы наш вакуум оказался ложным, и новообразованный пузырь истинного вакуума стал бы поглощать нашу вселенную, изменяя физические константы. Чтобы такого не произошло, пространство-время внутри пузыря должно отличаться по свойствам от нашего пространства-времени. Такое различие возникнет из-за разницы в энергии вакуума: энергия, поступающая из ложного вакуума в истинный, становится источником гравитационного поля для новой вселенной, которая сформирует собственное пространство-время и уйдёт за горизонт событий, навсегда исчезнув из нашей вселенной.
Как же запустить инфляцию в лаборатории? В 1991 г. Андрей Линде опубликовал в журнале Nuclear Physics B статью «Сложное искусство создания Вселенной», в которой предположил, что созданная в ускорителе микроскопическая чёрная дыра может оказаться червоточиной в дочернюю вселенную, которая будет расширяться в собственном пространстве-времени. Но планковская чёрная дыра взрывообразно испаряется за планковское время. Чтобы она успела туннелировать в истинный вакуум, нужно удержать её на дольше с помощью сильного электромагнитного поля или отрицательной энергии, как между двумя пластинами в эффекте Казимира. Отрицательным давлением можно смоделировать поле инфлатона и задать нужные параметры ложного вакуума, чтобы снизить барьер для туннелирования и ускорить процесс перехода в истинный вакуум, прежде чем чёрная дыра испарится.
Но если у нас и получится создать карманную вселенную, как мы сможем отличить её от обычной чёрной дыры? Скорее всего никак. И уж тем более не получится извне проследить эволюцию этой вселенной или самим переехать туда жить. Дочерняя вселенная будет навсегда отделена от нашей горизонтом событий, мы не сможем извлечь из неё ни энергию, ни информацию. Единственный способ передать её потенциальным обитателям наши знания – зашифровать их в физических константах или в соотношениях этих констант. Да, в ходе создания вселенной мы можем произвольно настраивать массы её частиц, пропорции содержания вещества и антивещества, скорость расширения, направление хода времени и т.д. Правда, у нас вряд ли получится их «тонко настроить» и заранее предсказать, будет данная вселенная обитаемой или нет. Ведь всё будет зависеть от малейших колебаний давления, температуры и напряжённости поля инфлатона. Поэтому нельзя полностью исключать, что и наша вселенная была создана в лаборатории сверхцивилизацией из вселенной уровнем выше. Но пока никаких посланий от её создателей, зашифрованных в параметрах Стандартной модели, мы не обнаружили.
На мой взгляд, образование Вселенной путём инфляции из скалярного поля, содержащего в себе бесконечное количество миров в потенциальном, непроявленном виде – гораздо более интересное событие, чем мистический акт творения или конспирологическая гипотеза о создании Вселенной в лаборатории. Согласно некоторым моделям, до начала инфляции у Вселенной вообще не было массы покоя, а её суммарная энергия была эквивалентна планковской массе. В таком случае она должна была состоять из одинаковых частиц, пребывающих в вечном движении со скоростью света. Более того, существует гипотеза, что первичное скалярное поле ложного вакуума было тахионным, то есть частицы двигались со сверхсветовой или даже бесконечной скоростью, а затем оно перешло в инфляционное поле истинного вакуума и распалось на частицы, обладающие нормальной массой. Это называется тахионной конденсацией, и простейшим её примером считается спонтанное нарушение электрослабой симметрии механизмом Хиггса. Обнаружить тахионное поле нельзя из-за его мнимой массы, но пофилософствовать на тему его природы никто не запрещает. Представьте себе мир застывшего света, где нет времени и пространства, и ничего никуда не движется, потому что всё есть всегда и везде. Не похоже ли это на описываемую в священных текстах небесную твердь или платоновский вечный мир идей?
Хронология Большого взрыва
Статья о теории Большого взрыва была бы неполной без хронологии самого Большого взрыва, которую в принципе можно найти в любой энциклопедии. Для полноты картины приведём её здесь, но сначала пару слов о фазовых переходах, чтобы было понятнее.
По мере расширения и остывания Вселенной в её состоянии происходили фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа или замерзанию воды. Снижение температуры приводит к вымораживанию степеней свободы частиц. Под степенями свободы системы понимают независимые переменные (обобщённые координаты), необходимые для её полного описания, то есть размерность пространства её состояний. Каждая степень свободы имеет свою температуру вымораживания, которая равна энергии возбуждения, делённой на постоянную Больцмана. На самом деле это диапазон температур, выше которых степень свободы считается «включённой» (т.е. движение по ней возможно), а ниже – «выключенной» (степень свободы находится в основном состоянии). Энергия движения частиц имеет в среднем величину порядка kT, следовательно все степени свободы, энергия возбуждения которых намного больше, будут выморожены – связанное с ними движение не может возникнуть.
Чтобы было ещё понятнее, о чем я сейчас собираюсь рассказать, советую почитать мою статью «Квантовая теория поля для гуманитариев».
1) Планковская эпоха (до 10−43 с)
Всё, что происходило со Вселенной в промежутке меньше планковского времени, в размерах меньше планковской длины и при температуре выше 1032 К, находится за рамками действия наших физических теорий. Здесь должна была работать квантовая гравитация, объединяющая все четыре фундаментальных взаимодействия.
2) Эпоха великого объединения (10−43 – 10−35 с)
При температуре 1029 К гравитация отделяется от трёх других взаимодействий, которые считаются единой силой в рамках Теории великого объединения.
3) Электрослабая эпоха (10−32 с – 10−12 с)
Разделение сильного и электрослабого взаимодействий вследствие спонтанного нарушения симметрии запускает космическую инфляцию, в ходе которой наблюдаемая вселенная раздувается с планковских размеров до радиуса 300 св. секунд и охлаждается с 1028 K до 1022 K. Всё, что будет изложено далее, уже не является гипотезой, а вытекает непосредственно из наблюдений реликтового излучения и предсказаний Стандартной модели квантовой теории поля, проверенных на Большом адронном коллайдере и других установках.
4) Кварковая эпоха (10−12 с ~ 10−5 с)
При температуре 1015 К (150 ГэВ) электрослабое взаимодействие распадается на электромагнетизм (переносимый фотонами) и слабое ядерное взаимодействие (переносимое W+, W– и Z0-бозонами). Инфляция прекращается, единое скалярное поле инфлатона распадается на частицы: образуются фотоны, лептоны, кварк-глюонная плазма и бозон Хиггса H0, благодаря которому у фермионов появляется масса. Это самые высокие энергии, которые можно непосредственно наблюдать на Большом адронном коллайдере.
5) Бариогенезис (10−5 с ~ 1 с)
При температуре порядка 1012 К кварк-глюонная плазма конденсируется в барионную плазму – вымораживается независимое движение кварков. До 0,1 с Вселенная в основном состояла из мюонов и пионов. В течение первой секунды образовались адроны (протоны и нейтроны) и произошла аннигиляция барион-антибарионных пар. Равновесие вещества и антивещества было нарушено в одну миллиардную долю. Из неё сформировалась видимая Вселенная, а всё остальное было преобразовано в фотоны реликтового излучения.
6) Лептонная эпоха (1 с ~ 10 с)
В течение первых 10 секунд аннигилировали лептоны с антилептонами, и Вселенная стала прозрачной для реликтовых нейтрино: при температуре порядка 1010 K нейтрино больше не рассеиваются на барионах, свободно распространяясь в пространстве. Радиус наблюдаемой вселенной – примерно 10 св. лет.
7) Фотонная эпоха (10 с ~ 380 тыс лет)
За 20 минут, пока температура Вселенной была как в ядре звезды (от 109 до 107 К), её протон-нейтронная плазма успела пройти стадию первичного нуклеосинтеза. Примерно 20% протонов образовали ядра гелия, ещё небольшое количество – ядра дейтерия и лития. Когда барионы объединяются в атомные ядра, вымораживается независимое движение протонов и нейтронов. Хотя плотность барионной материи составляет порядка 4 г/м3, большая часть энергии приходится на электромагнитное излучение. Радиус наблюдаемой вселенной составляет 300 св. лет.
8) Рекомбинация (180 ~ 380 тыс лет)
Вселенная остыла до температуры 4000 К, достаточной для того, чтобы произошла рекомбинация водорода – протоны соединились с электронами в электрически нейтральные атомы. Когда плазма конденсируется в атомы, вымораживается независимое движение атомных ядер и электронов. Свет перестал рассеиваться на заряженных частицах, и Вселенная стала прозрачной для реликтового излучения. На тот момент её радиус составлял 42 млн св. лет, а плотность барионного вещества – 500 млн атомов на м3. Начинается эра доминирования материи, вносившей основной вклад в гравитацию.
9) Тёмные века (380 тыс – 200 млн лет)
Этот период называют тёмными веками, потому что единственным светом было реликтовое излучение, которое смещалось в инфракрасную сторону спектра. Вселенная состояла из водорода, гелия и тёмной материи. Примерно через 10 млн лет после Большого взрыва реликтовое излучение имело уже комнатную температуру и продолжало остывать до 60 К. В таких условиях атомы могут объединяться в молекулы – вымораживается независимое движение атомов, но остаются их тепловые колебания вдоль химических связей внутри молекулы.
10) Эпоха реионизации (200 млн лет ~ 1 млрд лет)
В период от 200 до 400 млн. лет появились первые звёзды (популяции III), которые состояли только из водорода и гелия, имели большую массу и через несколько млн лет взрывались сверхновыми, обогащая космическое пространство тяжёлыми элементами. Самые ранние известные галактики существовали примерно 380 млн лет. Температура реликтового излучения упала с 60 до 19 К. В таких условиях большинство газов конденсируется в жидкость или твёрдое тело – вымораживается независимое движение молекул, но остаются их коллективные колебания (звук).
Вещество стягивалось гравитацией в галактики, в центрах галактик формировались сверхмассивные чёрные дыры, через 600 млн. лет зажглись первые квазары. От излучения первых звёзд и квазаров произошла реионизация межзвёздного газа. Начиная с 1 млрд лет галактики объединяются в скопления, начиная с 3 млрд лет – в скопления, с 5 млрд лет – в сверхскопления. Вселенная расширяется с замедлением и постепенно остывает до нынешней температуры 2,7 К. В космическом пространстве остаются только низкочастотные звуковые волны и слабые тепловые колебания отдельных молекул и атомов, которые полностью вымораживаются только при 0 К.
11) Эпоха тёмной энергии (7.8 млрд лет – н.в.)
5 млрд лет назад Вселенная проходит «джерк» и начинает расширяться с ускорением. Если раньше во Вселенной доминировала гравитация вещества, то теперь материя стала достаточно разреженной, чтобы на первый план вышла энергия вакуума. В этот же период формируется Солнечная система. На сегодняшний день постоянная Хаббла (скорость расширения на единицу расстояния) составляет около 70 км/с на Мпк (мегапарсек – 3 260 000 св. лет).
Сейчас в наблюдаемой вселенной порядка триллиона галактик, из которых только 3% находятся в зоне досягаемости, т.е. их можно достичь прежде, чем скорость их удаления превысит скорость света. Через 100 млрд лет реликтовое излучение остынет почти до абсолютного нуля, а все галактики кроме местной группы уйдут за космологический горизонт. В нашей вселенной не останется следов Большого взрыва, и космологи будущего ничего о нём не узнают. Так может, и от нас уже скрыты следы того, что было до Большого взрыва, поэтому мы и не можем об этом ничего узнать? Действительно, вследствие ускоренного расширения от 30 до 50% галактик, ранее находившихся в наблюдаемой вселенной, уже ушли за космологический горизонт частиц, а остальные, кроме Андромеды и спутников Млечного пути, исчезнут в течение 100 млрд лет. Возможно, какие-то данные о начальном состоянии Вселенной уже были утрачены, поэтому мы и не можем узнать, какая из инфляционных моделей имела место в прошлом. Но у нас есть карта реликтового излучения, устанавливающая жёсткие ограничения на всё, что могло происходить до Большого взрыва. И в этом наше главное преимущество перед космологами далёкого будушего.
Наблюдения «Джеймса Уэбба» и «кризис» космологии
За последние три года с момента запуска космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST) было сделано много сенсационных открытый, и поток новых данных не иссякает. Инфракрасный телескоп создавали специально для поиска самых ранних галактик и первых звёзд. Он обнаружил галактики, которые существовали всего через 200-300 млн лет после Большого взрыва – в эпоху, ранее относившуюся к «тёмным векам». Ещё большей неожиданностью оказались «маленькие красные точки» - компактные, но очень яркие галактики с необычайно высокой плотностью звёзд, возникшие уже через 600 млн лет после Большого взрыва. Вскоре выяснилось, что это быстро вращающиеся квазары с молодыми сверхмассивными чёрными дырами, которые просто не успели бы так быстро сформироваться путём слияния чёрных дыр звёздной массы. Кроме того, среди открытых объектов возрастом более 13 млрд лет нашлось немало галактик, превосходящих по массе наш Млечный путь в 2-3 раза, со сложной структурой и относительно старыми звёздами второго поколения. А совсем недавно «Джеймс Уэбб» нашёл свидетельство окончания реионизации в галактике возрастом 300 млн лет после Большого взрыва, когда реионизация должна была только начинаться.
Почему открытия «Джеймса Уэбба» вызвали такой резонанс, понять нетрудно. Стандартная космологическая модель предсказывала, что первые звёзды и галактики образовались не ранее 400 млн лет после Большого взрыва, когда тёмная материя сформировала крупномасштабную структуру Вселенной, и гравитация стала собирать холодный газ в плотные облака. Эти облака из нейтрального водорода и гелия коллапсировали, запускали термоядерные реакции и рождали первые звёзды, которые были очень массивными, интенсивно излучали ультрафиолет и рассеивали межзвёздный газ, ионизируя его. Всего за несколько млн лет они взрывались сверхновыми и порождали чёрные дыры звёздной массы, а те в свою очередь сталкивались и формировали сверхмассивные чёрные дыры – зародыши галактик. Но ранние звёздные скопления имели массу не более миллиарда солнечных, а «Джеймс Уэбб» обнаружил чёрные дыры в десятки млрд солнечных масс в компактных галактиках, содержащих до 100 млрд звёзд. Естественно, подобные несостыковки привлекают внимание журналистов и сторонников «альтернативной» науки, которые вырывают из контекста слова учёных и преподносят их как свидетельства «краха старой парадигмы» и «кризиса космологии». Якобы уже в первые 100 млн лет после Большого взрыва Вселенная была такой же, как сейчас, а значит, никакого Большого взрыва не было, и Стандартная космологическая модель не работает.
На самом деле JWST не опроверг, а подтвердил теорию Большого взрыва, вопреки заявлениям лжеучёных и конспирологов. И дело не в том, что нам сообщают только о необычных наблюдениях, а огромная масса данных, укладывающихся в Стандартную модель ЛCDM, остаётся вне зоны внимания СМИ. «Джеймс Уэбб» отчётливо продемонстрировал, что ранняя Вселенная была гораздо более экстремальным местом, чем мы думали. На современном этапе плотность газа в галактиках вроде нашей уже недостаточна для активного звёздообразования и питания квазаров – эти процессы наблюдаются только при слиянии галактик. В среднем же взрывы сверхновых, столкновения нейтронных звёзд и выбросы чёрной дырой релятивистских джетов случаются гораздо реже, чем в ранней Вселенной, благодаря чему мы до сих пор живы. Всё это вполне укладывается в стандартную картину космологической эволюции. Конечно, модели формирования галактик и сверхмассивных чёрных дыр будут пересматриваться, чтобы объяснить, как они могли так быстро нарастить свою массу. Но у нас уже давно есть гипотеза прямого коллапса массивного облака газа в чёрную дыру в обход промежуточных стадий звёздной эволюции. Также предполагается, что звёздообразование на ранних этапах происходит не непрерывно, а короткими вспышками, когда новые звёзды формируются одновременно во всём объёме галактики и резко увеличивают её яркость.
Вывод
Таким образом, теория Большого взрыва – это часть Стандартной космологической модели, описывающая не сам Большой взрыв, а его последствия. Описанием того, что было до Большого взрыва, занимается теория инфляции. Она ещё не получила однозначного экспериментального подтверждения, хотя имеет на это все шансы. Уже сейчас можно сказать, что Вселенная почти наверняка образовалась инфляционным способом, но согласно какой из предложенных инфляционных моделей – мы пока не знаем. В любом случае все попытки объяснения наблюдаемых фактов приводят к инфляции, а инфляция неизбежно влечёт за собой космологическую мультивселенную, частью которой является наша локальная вселенная со своими значениями физических констант.
С момента Большого взрыва прошло уже 13,8 млрд. лет, что для нас является невообразимым сроком, а для Вселенной, похоже, это только начало времён. Мы живём в эпоху, когда не слишком жарко и не слишком холодно, чтобы из вещества, рождённого Большим взрывом, могли образоваться сложные структуры: галактики, звёзды, планеты и т.д. Нас окружает потрясающее разнообразие астрономических объектов, каждый из которых уникален и неповторим. И в то же время Вселенная, согласно космологическому принципу, всегда остаётся однородной и изотропной, то есть выглядит одинаково для наблюдателя из любой точки пространства. Эволюция Вселенной продолжается, и современная наука может предсказать её будущее не хуже, чем она реконструирует прошлое. В следующих статьях мы выясним, как описать все типы мультивселенных одной теорией, неизбежно ли появление жизни и разума, что ждёт нас в будущем и какую роль в этом играют тёмная материя, тёмная энергия, гравитация и энтропия.
