В течение многих десятилетий ученые описывали начало нашей Вселенной, смешивая горячий Большой взрыв с сингулярностью. Мол, «Большой взрыв» был моментом рождения пространства и времени. Однако в начале 1980-х годов появилась новая теория, называемая космической инфляцией. Она предположила, что до горячего Большого взрыва Вселенная всё-таки существовала и вела себя совсем по-другому. В 2018 году у нас наконец появились очень веские доказательства того, что Большой взрыв не был моментом начала всего, как мы считали ранее.
Большой взрыв и точка сингулярности
Наши представления о Большом взрыве как о теоретическом «старте Вселенной» насчитывают почти 100 лет. В 1924 году Эдвард Хаббл измерил расстояние до ближайших спиральных туманностей и вдруг неожиданно для себя обнаружил, что это на самом деле галактики и они удаляются от нас и друг от друга. До этого почти все были уверены, что Вселенная сжимается — следуя теориям Эйнштейна и учитывая наличие сил гравитации.
В 1931 году Жорж Леметр предположил, что если учесть очевидное расширение Вселенной и спроецировать его назад во времени, то это означает, что чем дальше в прошлое, тем меньше была Вселенная. Тогда, возможно, был какой-то момент, когда вся масса Вселенной была сосредоточена в одной точке, в «первобытном атоме», где и возникла современная ткань времени и пространства.
В то время это была просто философская теория. Мол, если сегодня Вселенная расширяется и остывает, значит, раньше она была меньше, плотнее и горячее. Но в 1968 и 1970 годах группа ученых, включая Стивена Хокинга, опубликовала статьи, показывающие, что математическая сингулярность является неизбежным начальным условием для релятивистских моделей Большого взрыва. То есть, чтобы формулы работали, нужно принять, что вся материя и энергия Вселенной когда-то были сконцентрированы в одной точке.
Поскольку достаточно мощной технологии (телескопов и коллайдеров) для проверки всех теорий тогда у нас не было, эти математические модели стали лучшим объяснением принципов появления нашей Вселенной. Люди тогда даже не думали, что можно получить информацию напрямую из источника. В конце концов, большая часть наших знаний о черных дырах тоже извлечена напрямую из формул математики.
В результате несколько десятилетий эти два представления о Большом взрыве — как о горячем плотном состоянии, описывающем раннюю Вселенную, и о начальной точке сингулярности — были неразделимы. Это была одна вещь.
Но постепенно ученые приходят к тому, что Вселенная какое-то время существовала и до общеизвестного «горячего» Большого взрыва. Ему предшествовало другое, инфляционное состояние. То есть то, что было до Большого взрыва, тоже расширялось и даже, может быть, имело свою прото-энергию.
Всё это происходило больше 13,8 млрд лет назад, и казалось бы, такие нюансы должны быть потеряны для нас навсегда. Но на самом деле при нынешнем уровне технологий это можно проверить. Различия между Вселенной, начавшейся с горячего Большого взрыва, и Вселенной, в которой сначала шла инфляционная фаза, предшествовавшая Большому взрыву и создавшая его, почти неуловимы, но они существуют.
В чём вообще разница между двумя моделями? Ну, как минимум мы понимаем, что при «горячем» Большом взрыве, который мы экстраполировали бы вплоть до сингулярности, Вселенная достигла бы максимально возможных температур и энергий. Такой этап существования нашей Вселенной называют «Планковской эпохой», которая длилась бы 10−43 секунд. В таком случае размер Вселенной составлял бы меньше 10−35 м («Планковский радиус»), она имела бы температуру примерно 1032 К («Планковская температура») и плотность около 1093 г/см³ («Планковская плотность»). Более плотным и более горячим не может быть ничего — это была бы уже другая Вселенная, с другими законами физики.
То есть, если бы мы могли показать, что температуры или плотности были значительно меньше (или несоизмеримо больше) — эта теория была бы разрушена. В конце концов, она основывается на математических выкладках, а реальные физические доказательства всегда первостепенны.
К сожалению, из нашего времени мы никак не можем точно увидеть эти параметры. Только посчитать их. Поэтому прямых доказательств (или опровержений) теории «Большой взрыв = сингулярность» у нас здесь нет.
Но есть и другой путь. Даже если Вселенная имела когда-то такие «средние» плотность и температуру, в ней, как мы знаем, были несовершенства: как сверхплотные, так и недостаточно плотные области. По мере того как она расширялась и охлаждалась, эти сверхплотные области из-за гравитации притягивали к себе всё больше материи и энергии, увеличиваясь со временем, в то время как недостаточно плотные области, наоборот, отдавали свою материю и энергию в более плотные окружающие их структуры. Так создавались семена будущей космической паутины.
Только из-за наличия этих несовершенств образовались звезды и галактики, и только из-за них мы существуем сегодня. Их существованию есть сотни подтверждений, но в доказательствах они, по сути, и не нуждаются: в полностью «равномерной» Вселенной не родилось бы столько гигантских и разнообразных структур, и не существовали бы мы.
Детали, которые появляются в современной космической паутине, определились гораздо раньше. «Зёрна» современных крупномасштабных структур были заложены там, в самой ранней Вселенной. Сегодняшние звезды, туманности и скопления галактик можно проследить до первых маленьких несовершенств плотности, возникших тогда, когда первые атомы впервые сформировались во Вселенной. Эта связь вызвана гравитацией и тем фактом, что по Общей теории относительности концентрация материи и энергии определяет кривизну пространства.
Эти древние семена, хоть и плохо, но остаются видимы сегодня — в виде маленьких температурных несовершенств в космосе вокруг нас. Где-то космос чуть «теплее» (там больше материи), где-то чуть холоднее. Это так называемый космический микроволновой фон — остаточное сияние Большого взрыва, впервые обнаруженное в 1965 году. Температуры этого сияния находятся в пределе 2,72548 ± 0,00057 Kельвина, то есть это практически абсолютный ноль. Но оно всё-таки есть.
Фоновое излучение
Мы все живём на этом фоне. Просто он настолько слабый (ещё бы, 13,8 млрд лет прошло!), что заметить его могут только наши самые совершенные аппараты. А когда ученые впервые его засекли, то даже не поняли, что происходит: они думали, что у них барахлит оборудование. Но в общем да, если вас учили в школе, что в глубоком космосе — абсолютный ноль, то это неправда. Из-за всё еще остающегося после Большого взрыва излучения температура космоса составляет почти три Кельвина. Хотя она постепенно снижается, так что ещё через несколько миллиардов лет новым цивилизациям потребуются куда более мощные приборы, чтобы её обнаружить. А дальше — тайны начала Вселенной станут окончательно покрыты мраком.
Но пока что наши устройства, если их точно настроить, могут наблюдать этот реликтовый фон, потому что свет должен пройти из дальних областей пространства, в которых он возникает, к «глазам» наблюдателя. А это означает, что:
сверхплотные области с большим количеством материи и энергии, чем в среднем, будут казаться более холодными, поскольку свет должен «выбраться» из более крупного гравитационного потенциала;
области с пониженной плотностью, с меньшим количеством материи и энергии, будут казаться более горячими, чем в среднем, поскольку свету будет проще дойти до нас;
области средней плотности и гравитационного потенциала будут иметь среднюю температуру космического микроволнового фона.
Эти температурные несовершенства, которые мы наблюдаем в остаточном сиянии Большого взрыва, пришли к нам из эпохи, которая наступила через 380 000 лет после «запуска» Вселенной — когда первичная плазма охладела настолько, что электроны и протоны смогли начать образовывать атомы водорода. Это событие впервые сделало Вселенную почти прозрачной для излучения — потому что свет больше не рассеивался, сталкиваясь с морем свободных электронов.
К сожалению, более ранние этапы существования нашей Вселенной мы наблюдать не можем: там просто нечего было наблюдать. Но даже отпечаток Вселенной через 380 000 лет после её основания представляет собой достаточно большой набор данных, который можно анализировать.
Откуда вообще возникли эти несовершенства? Почему Вселенная не единообразна во всех направлениях? История тут совершенно разная, в зависимости от того, какого варианта «начала всего» вы придерживаетесь:
Согласно «сингулярной» теории Большого взрыва, Вселенная просто «родилась» с исходным набором несовершенств. Потом эти несовершенства росли и развивались по законам гравитационного коллапса и взаимодействия частиц, в том числе взаимодействия между нормальной и темной материей.
Если принять инфляционную теорию происхождения Вселенной, где горячий Большой взрыв возник только после какого-то периода космического расширения, тогда эти несовершенства посеяны квантовыми флуктуациями. То есть флуктуациями, возникающими даже в пустом пространстве из-за принципа неопределенности энергии и времени, присущего квантовой механике. То есть наша Вселенная не была случайно рождена «неравномерной»: если пространство и время появились до Взрыва, то ни в каком другом виде она и не могла существовать.
Второй вариант объяснения дает нам важную зацепку. Если эта теория верна, то получается, квантовые флуктуации, существовавшие до Большого взрыва, каким-то образом отображены в нём. За прошедшие миллиарды лет эти маленькие отблески растянулись до гигантских масштабов за счет расширения Вселенной. А более поздние флуктуации растянулись уже поверх них.
Отсюда идёт важный вывод. Если что-то существовало до взрыва, оно должно быть самым большим, самым «растянутым». В теории, даже больше горизонта самой нашей Вселенной — которая расширяется как результат того самого взрыва. Мы должны быть способны заметить результаты в масштабах, превышающих космический горизонт: так называемые флуктуации сверхгоризонта. Если они существуют — значит, сам Большой взрыв не мог быть началом всего.
Ещё раз. В «сингулярной» картине Большого взрыва, где всё было сжато в одну точку и он был началом всего, результаты флуктуаций, которые мы ожидаем увидеть, будут ограничены скоростью света (+ расстоянием, на которое за это время успел расшириться космос). Если же до взрыва что-то существовало, то «мазки на картине», теоретически могут быть больше. Намного больше (если это «что-то» существовало ощутимое время и было достаточно крупным). Или всего на несколько процентов больше (если время и пространство до Большого взрыва было невелико).
Это, конечно, было бы очень сложно заметить. Флуктуации, которые могли произойти за несколько сотен долей секунды до взрыва, уже растянуты до масштаба большего, чем наблюдаемая в настоящее время Вселенная. А более поздние флуктуации накладываются на более ранние, засоряя сигнал. Но мы хотя бы понимаем методику: если что-то существовало до Большого Взрыва, мы можем начать поиск сверхмасштабных флуктуаций, которых не должно было бы быть, если бы Вселенная началась с сингулярности.
В общем, большой тест, который можно провести, состоит в том, чтобы исследовать Вселенную и искать либо наличие, либо отсутствие этих флуктуаций сверхгоризонта. Существует предел тому, как далеко мог пройти сигнал, который двигался со скоростью света. И нам нужно понять, когда он был испущен.
Масштабы меньше горизонта Вселенной зависят от физики, которая возникла с момента начала горячего Большого взрыва.
Масштабы, равные горизонту, являются верхним пределом того, на что могли повлиять физические сигналы с момента начала горячего Большого взрыва.
Масштабы, превышающие горизонт, известные как масштабы сверхгоризонта, выходят за пределы того, что могло быть вызвано физическими сигналами, генерируемыми во время или после Большого взрыва.
Изнутри нашей Вселенной заметить эти широкие «мазки» на нашем уровне технологий — достаточно сложно. Но, к счастью, наблюдение за температурой космического микроволнового фона — это не единственный способ получить информацию. Мы также можем посмотреть на поляризацию света от этого фона.
Поляризация света
Дальше будет очень научно, но вкратце смысл такой: мы смотрим на то же реликтовое излучение (другой информации нет), но не на его температуру, а на его поляризацию — насколько электромагнитные волны, дошедшие к нам с тех времен, структурированы в том или ином плане. Это позволяет говорить о структурах, существовавших там, где эти волны прошли.
Когда свет проходит через Вселенную, он взаимодействует с материей внутри нее — в частности, с электронами. Если свет поляризуется радиально-симметричным образом, это пример поляризации вектора Е (электрического). Если свет поляризован по часовой стрелке или против часовой стрелки, то это пример поляризации вектора B (магнитного).
И здесь можно провести корреляционный анализ: между поляризацией света, который мы ловим, и температурными флуктуациями космического микроволнового фона. Сопоставить их в тех же угловых масштабах. Это позволит нам отсечь лишний шум и заметить остаточные последствия самых больших флуктуаций. И понять, какой сценарий мы наблюдаем: «сингулярный Большой взрыв без инфляции» или «инфляционное состояние, которое и привело к горячему Большому взрыву».
Как их отличить, эти два сценария основания Вселенной, глядя на поляризацию, если супер-технически:
Hidden text
В обоих случаях мы ожидаем увидеть субгоризонтные корреляции (как положительные, так и отрицательные) между поляризацией вектора Е в космическом микроволновом фоне и температурными флуктуациями в его пределах. Это вполне очевидно: если на пути света есть материя, в которой находятся электроны, то там будет и поляризация, и нехарактерная для остального фона температура.
В обоих случаях мы ожидаем, что в масштабе космического горизонта (на данный момент соответствующего угловым масштабам около 1 градуса и мультипольному моменту около l = 200-220) эти корреляции будут равны нулю.
Однако в масштабах сверхгоризонта сценарий «сингулярного Большого взрыва» будет иметь только один большой положительный «всплеск» корреляции между поляризацией Е-моды и температурными флуктуациями космического микроволнового фона — это тот момент, когда звезды начали формироваться в больших количествах и стали реионизировать межгалактическую среду. С другой стороны, сценарий «инфляционного Большого взрыва» обязан содержать этот всплеск, но также должен показать ряд отрицательных корреляций между поляризацией Е-моды и температурными флуктуациями в масштабах сверхгоризонта (в угловых масштабах между 1 и 5 градусами, мультипольные моменты от l = 30 до l = 200). Это продемонстрировало бы, что что-то существовало до взрыва и оставило следы, не зависящие от него. Характерные «мазки» в масштабах, даже превышающих размеры реликтового излучения.
По этому самому первому графику, опубликованному командой телескопа WMAP в 2003 году (ровно 20 лет назад!), видно то, что космологи называют «спектром взаимной корреляции TE»: корреляции между поляризацией E-моды и флуктуациями температуры космического микроволнового фона.
Как мы можем видеть, в субгоризонтных масштабах (справа от зеленой линии) присутствуют как положительные, так и отрицательные корреляции. Но в сверхгоризонтных масштабах (слева от линии) отчетливо виден большой «провал» — значительная зона отрицательной корреляции. Это согласуется с прогнозом теории инфляции (сплошная линия). И категорически не согласуется с теорией сингулярности Большого взрыва (пунктирная линия).
Конечно, это было 20 лет назад, и с тех пор наши технологии продвинулись вперед. Спутник WMAP был заменен спутником Планка, который превосходил его почти по всем параметрам. Он видел Вселенную в большем количестве диапазонов длин волн, мог опускаться до меньших угловых масштабов, лучше считывал нюансы температуры, включал в себя специальный поляриметрический прибор и чаще брал снимки неба, что еще больше уменьшало вероятность ошибок.
И когда мы смотрим на окончательные (2018 года) данные кросс-корреляции TE от команды Планка, результаты захватывают дух. Всё предельно очевидно:
Выводы
Как мы можем ясно видеть по данным спутников, не остается никаких сомнений в том, что во Вселенной точно существуют сверхгоризонтные флуктуации. А это значит, что неинфляционная сингулярная модель Большого взрыва, которая считалась общепринятой почти 100 лет, не согласуется со Вселенной, которую мы наблюдаем. Вместо этого мы видим, что горячему Большому взрыву должно было предшествовать инфляционное состояние. Которое, правда, длилось не очень долго — судя по размеру флуктуаций и степени их влияния на современный космос.
Наша Вселенная существовала и до Большого взрыва, вероятно — краткую долю секунды. В ней, скорее всего, еще не было атомов, но уже происходили квантовые процессы, вызвавшие неравномерности распределения энергии. А уже после этого случился Взрыв.
Есть и другие тесты на наличие «довзрывной» инфляции, которые можно было бы провести. Оценить масштабно-инвариантный спектр чисто адиабатических флуктуаций, проверить ограничение максимальной температуры горячего Большого взрыва, найти небольшое отклонение от идеальной плоскостности в космологической кривизне, проверить спектр «первобытных» гравитационных волн, постоянно доносящихся к нам с того времени. И так далее. Тем не менее тест на наличие флуктуаций сверхгоризонта достаточно прост и надежен. И уже проведен. Если остальные эксперименты когда-нибудь осуществят — то только для того, чтобы подтвердить уже известное: пространство и время существовали и до Большого взрыва.
Как всё это выглядело, в каком формате оно существовало, как долго? Не ясно. Но по крайней мере это точно была уже наша Вселенная: в ней работали известные нам законы квантовой физики, и их последствия видны на звездном небе, если хорошо присмотреться.
А дальше — пространство для новых открытий и новых теорий. Потому что теперь мы знаем, что Большой Взрыв, оказывается, не был началом всего.
