Спросите Итана: могла ли Вселенная начаться с Большого Отскока?

Автор оригинала: Ethan Siegel
  • Перевод
image
Для «Большого Отскока» требуется фаза повторного коллапса, за которой следует фаза расширения

Благодаря прогрессу науки за последние сто лет мы смогли установить происхождение Вселенной, причины её сегодняшнего состояния и её судьбу в отдалённом будущем. Но и у наших знаний есть ограничения: как далеко в прошлое мы можем заглянуть, и насколько далёкое будущее эволюции Вселенной мы можем предсказывать с определённой долей уверенности. За пределами этих ограничений и лежат величайшие загадки. Наш читатель спрашивает об одной из таких загадок:

Я прочитала ваш пост о тепловой смерти Вселенной, и мне стало интересно, что вы думаете по поводу теории Большого Отскока?

Ответ на этот вопрос состоит из трёх частей: что нам известно, что считается возможным, и что мы считаем наиболее вероятным (по убедительным причинам).


Схема кластеризации, к которой стремятся галактики в нашей Вселенной

Наша Вселенная в данный момент заполнена звёздами, галактиками, чёрными дырами, тёмной материей, тёмной энергией и излучением. В ней есть как скопления и столпотворения материи, так и гигантские войды (пустоты). Она расширяется, охлаждается, и в ней есть определённое количество частиц, организованных определённым образом в любой момент времени. На основе наших знаний о её составе, о её расширении и о законах физики, мы можем экстраполировать состояние Вселенной и в прошлое, и в будущее. Идя в прошлое, мы обнаруживаем, что она была более однородной, горячей, плотной, менее комкующейся, более энергетической и однообразной. Идя в будущее, мы видим, что она, замерзает, пустеет, становится более комкующейся, разреженной, менее энергетической. Мы знаем это с очень большой точностью.


С момента горячего Большого Взрыва наша Вселенная претерпела огромный рост и эволюцию, и продолжает это делать

Чтобы взглянуть на это с другой стороны, мы можем обратиться к энтропии обозримой части Вселенной. Концепцию энтропии довольно сложно понять; можно представить её так: это количество возможных способов, которыми можно сформировать состояние определённой системы. Сегодня мы можем подсчитать энтропию Вселенной и получить число порядка 10104k, где k – константа Больцмана. В основном это количество составляют сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик; например, энтропия одной лишь сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного пути равняется 1091k. На ранних этапах Вселенной этих чёрных дыр не существовало (они ещё не сформировались), поэтому её энтропия была гораздо меньше. В далёком будущем Вселенная достигнет ещё больших значений энтропии, когда все они распадутся благодаря излучению Хокинга (пока этого не произошло). Когда во Вселенной преобладало излучение, около 13,8 млрд лет назад, её энтропия равнялась всего 1088k. Когда в далёком будущем распадётся последняя чёрная дыра, энтропия примет значение 10123k. Законы термодинамики, согласно которым энтропия всегда растёт, соответствуют происходящему со Вселенной.


Есть несколько вариантов далёкого будущего Вселенной; но если, как говорят наши данные, тёмная энергия и правда постоянная, то она будет и далее развиваться по красной кривой.

Что по поводу возможностей? В будущем Вселенная будет вечно расширяться, ускоряться, но также может испытать разрыв, совершить туннельный переход в новое квантовое состояние или реколлапсировать в сингулярность. В прошлом она могла существовать в инфляционном состоянии до горячего Большого Взрыва (в состоянии с ещё меньшей энтропией, порядка 1015k), но нам ничего неизвестно о периоде, длившемся до момента времени 10-33с от начала Вселенной. Было ли у неё единое начало, в котором возникли пространство и время? Или они всегда существовали? На ежегодном собрании Американского астрономического сообщества космолог Шон Кэррол очень подробно описал четыре возможности происхождения Вселенной, взявшей начало не в сингулярности.


В классической общей теории относительности сложно избежать сингулярностей. Но в квантовых теориях гравитации, например, допускающих существование дополнительных измерений, варианты отскока возможны.

1. Струнный отскок. В ОТО экстраполяция в прошлое к состоянию с произвольно высокой температурой, большой плотностью или малым размером, вы неизбежно приходите к сингулярности, и все определения времени и пространства перестают работать. Но в квантовых расширениях ОТО, например, петлевой квантовой гравитации, теории струн или космологии бран, можно и «отскочить» от предыдущего сжимающегося состояния в горячее, плотное и расширяющееся.

2. Циклическая космология. Похоже на струнный отскок, только в этом варианте отскоки совершаются постоянно. Вселенная расширяется, достигает максимального размера, сжимается – при этом всё это время энтропия растёт – и затем реколлапсирует, а потом снова отскакивает.

3. Космологическая спячка. Вместо быстрого расширения, которое наша Вселенная демонстрирует сегодня или показывала во время периода инфляции, Вселенная долгое время могла находиться в примерно постоянном состоянии покоя. Для этого требуется нечто экзотическое, вроде дегравитации (когда гравитацию на время отключают), или космология струнного газа.

4. Космологическое воспроизводство. В данном случае Вселенную порождает предыдущее пространство-время, у которого есть множество вариантов местонахождения и свойств, но которое началось не с сингулярности. В этом случае один из отпрысков вырастает в нашу Вселенную.


Огромное количество участков, на которых произошли Большие Взрывы, разделены постоянно расширяющимся пространством, находящимся в фазе вечной инфляции

Возможность Большого Отскока однозначно подлежит рассмотрению, и многие занимаются ею. Но у неё есть большая проблема, как и с описанными выше вариантами 1, 2 и 3: наша Вселенная должна была родиться с низкой энтропией, и второй закон термодинамики никто не отменял. Либо в прошлом энтропия Вселенной уменьшалась, что было бы величайшим нарушением второго начала термодинамики, либо в прошлом энтропия была ещё меньше – точно подстроенной так, чтобы быть практически нулевой.

В первом варианте – струнном отскоке – энтропия должна уменьшаться. В циклических отскоках энтропия должна всегда увеличиваться. Это значит, что в последнем цикле, предшествующем отскоку, должно быть ещё меньше энтропии, чем было при рождении нашей Вселенной; что в этом цикле энтропия росла, и что следующий отскок начнётся с ещё большим значением энтропии, чем то, с которым закончится наша Вселенная. И из всех этих сценариев лишь четвёртый избегает проблем с энтропией. Чтобы понять, как это работает, представьте, что Вселенная находится в состоянии с большой энтропией, с большим количеством вариаций и флуктуаций.


Частицы на схеме внизу очень редко перейдут в состояние, изображённое вверху, но небольшие флуктуации, или падения энтропии, вполне возможны

Это довольно универсальное состояние; это наименее точно подстроенное начальное состояние, с которого можно начать отсчёт, а ещё у него есть много общего с большинством физических систем, которые можно представить – к примеру, с комнатой, заполненной молекулами газа при относительно большой температуре. Нельзя ожидать, что все молекулы одновременно окажутся на одной половине комнаты, а вторая останется пустой. Этот вариант не только менее предпочтительный с точки зрения термодинамики, но и крайне маловероятный с точки зрения статистики. Но вас не удивило бы, что если бы в каком-нибудь участке размером с кулак оказалось бы на несколько миллиардов больше или меньше молекул, чем в среднем, или же в нём было немного больше (или меньше) энергии или энтропии, чем в среднем. Если ограничиться изучением очень малых участков, имеющих, допустим, размер порядка вируса (а они бывают размером в 5 нм), вы можете обнаружить участок с крайне низкой или даже пренебрежимо малой энтропией. Общая энтропия системы всё равно должна расти, но очень малый участок может обладать очень малой, даже пренебрежимо малой, энтропией в любой момент времени.


Хотя инфляция может окончиться в более чем 50% участков в любой момент времени (обозначенных красными Х), достаточное количество регионов продолжат расширяться вечно, и инфляция будет идти вечно, при этом никакие две Вселенные никогда не столкнутся

Возможно, что крохотные участки с флуктуациями, где энтропия достаточно сильно уменьшается, могут породить новую вселенную, где идёт инфляция.


Инфляция привела к появлению Большого Взрыва и обозримой Вселенной, к которой у нас есть доступ, но в существующие сегодня структуры выросли флуктуации, случившиеся во время инфляции

У инфляции есть такое удивительное свойство – когда она начинается, она создаёт всё больше и больше пространства с удивительно большой скоростью, и оно продолжает экспоненциально расти. Существуют участки, в которых инфляция закончится, и породит горячий Большой Взрыв, и заполненное материей, антиматерией и излучением пространство, такое, как наша обозримая Вселенная. Но есть и участки, которые будут продолжать расширяться. Вселенная могла начаться с сингулярности, когда пространство и время появились из состояния, у которого снаружи не было ни пространства, ни времени (насколько вообще концепции «появилось» и «снаружи» можно использовать в отсутствии пространства и времени), но она могла появиться и не из сингулярности. Однако пока у нас есть второй закон термодинамики, то есть, пока общая энтропия системы не может уменьшаться, идеям «большого отскока» мешает очень большое препятствие. Отсутствие доказательств реколлапса вместе с теоретическими сложностями, с которыми сталкивается вариант отскока, лучшее, что физика может предложить для описания рождения Вселенной – это вариант с воспроизводством.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Поддержать автора
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 19

    +3
    Закон термодинамики не фундаментальный, и потому использовать его в своих моделях следует крайне аккуратно.
      +1
      Даже более того: второе начало термодинамики это и не «закон» даже, а строго говоря лишь эмпирическое наблюдение, которому мы не нашли опровержений. Как кстати и законы сохранения. Скорее всего это законы, действующие локально в рамках Вселенной. Но не факт что они работают за ее пределами. Та же «инфляция» — действуют ли там привычные нам законы сохранения? А фиг знает: если там само пространство стремительно расширяется, то что там происходит с материей и энергией? Ну и у второго начала термодинамики есть
      границы применимости
      Так что зря вас минусуют.
        0
        А можно ли вообще считать Вселенную вблизи сингулярности термодинамической системой?
        +3
        По-моему, второй закон даже более фундаментальный чем другие именно потому, что он — следствие общего поведение системы при довольно-таки общих допущениях относительно свойств ее частей, а не эмпирически постулируемое свойство частей системы; имхо поэтому избавится от него будет гораздо сложнее. Правда, если не выполняется первый закон то при определенных условиях можно добиться невыполнение второго, но это уже частности.
        +1
        Могла, но инструментального способа проверить это у нас нет.
          0

          Да в общем-то и аналитического, видимо, тоже (пока) нет. Сингулярность злая штука.

            0
            А аналитический способ нам никак и не поможет. Для любого анализа требуются исходные данные. А их-то как раз и нет.
          0

          А что означает последняя фраза "вариант с воспроизводством"?

            0
            4-й вариант в списке
            –3

            Трудно представить пульсирующую Вселенную. Она же должна пульсировать в некоем внешнем пространстве — бесконечном относительно то расширяющейся то сжимающейся Вселенной. Надо наделять это внешнее пространство какими-то свойствами, анализировать его взаимодействие с пульсирующим в нём объектом — энергетически плотным физико-космическим вакуумом с материей внутри него.


            Если же представить пульсирующую Вселенную, периодически "отскакивающую" от своего предыдущего плотного состояния, в абсолютной и бесконечной пустоте, то… в такой пустоте можно рассмотреть семь хрустальных сфер и расслышать голоса херувимов. То есть какая-то надуманная конструкция получается, попахивает геоцентризмом вселенского масштаба.


            Я не против понятий вечности и бесконечности, куда ж без них. То и другое всегда существует за нашим горизонтом познания. Но давайте заполнять их не пустотой, а некоторым подобием того, что существует внутри нашей сферы познания. Как это всегда и было в процессе изучения мира. Нет хрустальных сфер вокруг Земли, а есть другие планеты и звёзды. И Галактика наша оказалась не единственной, а одной из множества других галактик Вселенной, которые сталкиваются и сливаются друг с другом. Так может и расширяющихся вселенных тоже великое множество, и они тоже могут сталкиваться друг с другом, образуя новые пространства?


            Некоторые учёные это допускают и даже находят в реликтовом фоне "рубцы" от столкновений вселенских "зародышей". Значит, возможно и столкновение уже взрослых, ускоренно расширяющихся вселенных. Причём массовое, с гораздо более существенными, вселенскими последствиями, чем локальное изменение температуры реликтовых фотонов. Да это будет… конец света. И начало нового мира — для тех, кто успеет к нему подготовиться.


            Как можно приготовиться к столкновению и взаимному сжатию вселенных? Тут в статье Итан упомянул о локальном снижении энтропии в объёме вируса. Но у человека объём со сниженной энтропией ниже. А у глобальной цивилизации он ещё ниже. А если предположить существование вселенской системы цивилизаций, то этот живой организм в масштабе вселенной вполне может сохранить свою антиэнтропийность, свой "гомеостаз" в грядущем конце света. И он станет одним из элементов праматерии в плотном пространстве, образованном при взаимном сжатии вселенных.
            Этот вариант чем-то похож на 4 пункт:
            "4. Космологическое воспроизводство. В данном случае Вселенную порождает предыдущее пространство-время".
            Я его по-своему раскрываю в первой своей публикации.

              +1
              Она же должна пульсировать в некоем внешнем пространстве

              С чего Вы это взяли?
                –2

                С этого: "Как это всегда и было в процессе изучения мира. Нет хрустальных сфер вокруг Земли, а есть другие планеты и звёзды. И Галактика наша оказалась не единственной, а одной из множества других галактик Вселенной, которые сталкиваются и сливаются друг с другом. Так может и расширяющихся вселенных тоже великое множество, и они тоже могут сталкиваться друг с другом, образуя новые пространства?"


                Для существования других планет, звёзд, галактик, вселенных требуется пространство. Некоторые полагают, что в нём может быть лишь одна, вечно пульсирующая вселенная. Но я думаю, что не так важно — пульсирует или расширяется вселенная, главное, чтобы она не была единственной, поскольку допущение единственности этого изучаемого объекта, как я сказал, противоречит опыту познания мира. Такое допущение — вариант геоцентризма.
                А если мы допускаем существование множества вселенных (мультиверс), то сразу решаем кучу более мелких проблем, о которых — в моих публикациях и комментариях.

                  +1
                  А если мы допускаем существование множества вселенных (мультиверс),


                  Из этого по прежнему никак не следует необходимость внешнего пространства.
              0
              Если представить как аналог вселенной мыльный пузырь или шарик, который надувается, то возможно что он (она конечно) когда-нибудь просто лопнет? Допускает наука такое, или всё сложнее?
                0

                Да, см. большой разрыв. Только лопаться она будет не как шарик (с образованием линий разрыва) а просто все быстрее и быстрее расширяясь.

                  0
                  Это получается бесконечное растягивание, а я имею в виду именно тот момент, когда пространство просто не сможет растянуться ещё больше с сохранением своей целостности. Т.е. тянемся-тянемся, а потом БУМ! и нет ничего…
                    0

                    Чем вам разрушение атомов не БУМ?

                      0
                      Пожалуй да, спасибо. :)
                0
                Вариант «Big crunch» — это же рисунок слона в удаве из «Маленького принца».

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое