Время от времени интересующиеся физикой, но очень плохо знающие оную, задают вопрос - если во время Большого Взрыва вся масса Вселенной находилась в одной точке, и эта точка была меньше радиуса Шварцшильда, то есть представляла собой чёрную дыру с массой Вселенной - как получилось, что она прорвалась за горизонт событий, ведь это - по их мнению - потребовало бы превышения скорости света, что невозможно!
Очень хороший, правильный вопрос. Он неоднократно обсасывался как учеными, так и неспециалистами, и в ходе этого за время с 1783 по наши дни было сломано много штыков, а поскольку большинство спорщиков вступают в бой не озаботившись ознакомлением с основными тезисами, копья продолжают ломаться не смотря на то, что вопрос уже давно закрыт.
В данной художестввенной статье я намереваюсь, обойдясь без формул и картинок, вкратце осветить данный вопрос с точки зрения логики и истории, и - поскольку "вкратце", применительно ко мне, означает стену текста, то - если вы не любитель много читать - лучше отпишитесь от моего канала. Такое здесь будет твориться постоянно.
В настоящее время, если не вдаваться в подробности (потому что это потребует формул, а большинство читателей матеатический язык знают весьма посредственно), считается, что задающие такие вопросы попросту не знают матчасти, а потому пытаются применить теорию, созданную для физических к тел, к тому, что к ним не относится. А именно, что любое решение, основанное на массе вещества выделившегося во время биг бадабума, неизбежно приводит нас к двум выводам: во-первых, и это очевидно, раз ничто из того что движется со скоростью света не может покинуть черную дыру, а двигаться с более высокой скоростью невозможно, то единственным возможным логическим выводом является то, что мы до сих пор сидим в одной огромной черной дыре, и наблюдаем её "изнутри". Это породило теорию вложенных пространств, от которой физики, изучающие теорию струн дуреют прямо на глазах, пытаясь всё это представить. Во-вторых, и это тоже очевидно, раз мы в черной дыре, то по идее у нас тут должны быть совершенно запредельная температура и плотность, чего, однако, мы не ощущаем. Значит либо неверно то, что мы себе представляем о черных дырах, либо мы не в чёрной дыре, а значит то, что проиходило в момент Большого Взрыва сильно отличается от коллапса звезды, и как следствие теорию большого сжатия тоже можно выбросить на свалку истории.
Такие вопросы постановкой мысленных экспериментов решить довольно сложно, тут уже нужны экпериментальные данные - и ученые построили для этой цели Большой Адронный Коллайдер. В процессе сшибания частиц было найдено несколько новых, а также немножко уточнены характеристики уже известных. Вопросов при этом возникло больше, чем искомых ответов. Но ситуация понемногу прояснилась.
Как известно, скорость - это путь, деленный на время. Проблема в том, что во времена Большого Взрыва времени не было, как следствие, не было и пространства, то есть понятие температуры и плотности тоже становятся бессмысленными. Что же у нас тогда остается? Энергия.
Лирическое отступление. Так как энергия тесно связана с фотоном, то мы переходим к самому вкусному - ко второму вопросу, который мне часто попадается в комментариях к разным научным и не очень статьям. Вакуум и эфир, или "даже Эйнштейн был в конце концов вынужден признать существование эфира" (замечу, что это - донельзя невежественное выражение. Эйнштейн предложил изменить значение термина, и понимать под эфиром физическое пространство ОТО ).
Итак, об эфире. В 1618м году, да-да, тогда, когда выражение "мы слишком мало знаем" ещё было уместно, Рене Декарт выдвинул кажущуюся ему разумным - в те времена - теорию о том что природа не терпит пустоты, и что всё вокруг заполнено первоматерией (отсюда растут уши у гипотезы о том, что состояние Вселенной перед большим взрывом как раз и было этой первоматерией). Он также попробовал дать объяснения тому, что есть свет, что есть магнетизм, и что есть сила тяжести. Дальше были различные тонкие материи, уместные в наше время только в фэнтези - "элементы огня, воды и воздуха". Если брать во внимание средневековую алхимию, то вышло недурственно. Но в отсутствие инструментария для проверки теории, Декарт был вынужден ограничиться публикациями, которые вдохновили - уже после его смерти - других ученых на конструирование разных приборов для проверки. Итак, благодаря попыткам доказать идеи Декарата, были открыты дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Эразм Бартолин, изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675, Рёмер). Ну то есть, пока капитан Флинт грабил испанские галеоны, а законы об авторском праве были воистину грабительскими, ученые пытались раскрыть тайны Вселенной.
Всё это привело сначала к столкновениям между сторонниками корпускулярной и фанатами волновой теории света, которые ломали копья уже в попытках объяснить результаты некоторых опытов (типа поляризации света). Понимание эфира как некоей среды привело к тому, что к делу подключились специалисты по газо-гидродинамике, и как тут не упомянуть Стокса (а ты знаком с уравнением Навье-Стокса?)! И упомянуть следует по причине, что когда Максвелл разрабатывал свои знаменитые уравнения (электродинамики), он систематически обращался к эфиру, но лишь с целью показать на его примере, как это всё работает. Он, как и Фарадей, в эфир не верил, и вскоре так получилось, что благодаря ему (где-то в 1864 году) концепция эфира изменилась - теперь это стал просто носитель света, электричества и магнетизма. Это важно, потому что поиск переносчиков взаимодействия на долгие десятилетия овладел умами физиков. С математическим аппаратом тогда всё тоже было не слава богу, но он стремительно развивался.
Свою лепту внес и Менделеев, который своей таблицей элементов наконец внес ясность и четкость в понимание того, что у нас есть материя. Он полагал эфир газом легче воздуха (и даже легче водорода, этакий нулевой элемент, привет фанатам mass effect-а), но так его и не нашел, зато были открыты инертные газы. Одновременно с этим Хейндрик Лоренц (автор сокращения длины движущегося тела, и преобразований имени себя, что позже будет взрывать мозг юных физиков парадоксом шеста и сарая, в котором парадокса на самом деле нет) выкинул из эфира электроны, и попытался ввести локальность (которую выкинули из физики только в середине двадцатого века), позже к нему присоединился Пуанкре, который поправил баги и на рубеже веков оформил концепцию относительности.
Где-то с этого момента от первоначального эфира остаются рожки да ножки - его считают принципиально необнаружимой средой, в которой вообще ничего нет. То есть он вроде бога - тот тоже как бы есть, но совершенно необнаружим, а следовательно является не физической, а философской проблемой. В 1905 году, Эйнштейн в своей статье сказал, что эфир не нужен, потому что всё можно объяснить и без него (потому что формулам Максвелла и Лоренца подчинялось вообще всё, ну, практически. А ещё была СТО, которая тоже неслабо взрывала мозги). Эфир, равно как и теплород и флогистон окончательно отправились на свалку устаревших понятия. Тогда же появился фотон (когда Эйнштейн предположил, приняв за основу гипотезу Макса Планка, что свет состоит из квантов).
Теперь про связь эфира с вакуумом. Вакуум - это крайне неоднозначное понятие, которое может означать как пустоту, так и пространство. Ну и "в эфире радио Маяк", разумеется. А эфир - это уже нечто более определенное. В некоторых иностранных языках, наприер английском, вообще часто используется замена значения архаичного термина на современное, благодаря чему часто возникает путаница, особенно в морском флоте (но это уже оффтопик). Предложенная Эйнштейном мысль переопределить значение термина в физике не особо прижилось, зато породило путанницу в мозгах читателей.
В нашем случае имеется ввиду физический вакуум. Для того, чтобы понять, что это такое, следует вспомнить другую эпохальную баталию времен Эйнштейна, на рубеже веков - спор детерминистов со сторонниками неопределенности. То есть, применительно к физике - фанаты ОТО и фанаты квантмеха. Это важно, потому что детерминизм оказал чудовищное влияние на философию - судите сами, если всё предопределено, и у каждого есть своя судьба, от которой не сбежать - смысла у жизни вообще нет, остается только плыть по течению. Эта мысль породила фатализм, отразившийся на обществе не лучшим образом (а поскольку он ведет своё начало аж с античных времен, то боролись с ним тогдашние философы весьма активно, породив для этой цели, собственно, науку). Однако вместо философов (где вопрос существования Бога давно уже перешел в разряд священных войн), с данной проблемой успешно разобрались физики - потому что в физике главным критерием является доказуемость.
Пересказывать суть ЭПР-парадокса, рассказывать про мышь Эйнштейна, кота Шрёдингера, неравенство Белла и его доказательство я сегодня не буду, потому что во-первых вы можете почитать про это в интернете самостоятельно, а во-вторых практика показывает, что вставки подобных историй заставляют читателя упускать мысль. Хотя возможно я расскажу и об этом, уж больно тема интересная - и кстати, влечет за собой опровержение таких вещей как "наш мир - симуляция", путешествий во времени, путешествий с сверхсветовой скоростью (в принципе), и прочего абсурда.
Итак, после того, как кот Шрёдингрера сожрал мышь Эйнштейна, а Гейзенберг и Шрёдингер были номинированы на нобелевку лично Эйнштейном, вакуум был определен как низшее энергетическое состояние квантового поля. Подчеркну: к пространству это поле не имеет вообще никакого отношения. В этом самом квантовом поле постоянно (в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга) появляются и исчезают виртуальные частицы (виртуальными - потому что на самом деле их нет, просто это язык для описания крайне занятных процессов в квантовом поле), порождая нулевые колебания. Эти самые колебания так заворожили неспециалистов, что тут же появилась фантастическая идея о том, что де-можно черпать энергию на халяву, прямо из вакуума с помощью гипотетического реактора нулевой точки. В фантастике идея прижилась, в физике - нет, потому что это невозможно (потому что закон сохранения энергии). Частицы считаются виртуальными, потому что после возникновения они моментально поглощаются, и этот процесс занимает столь мало времени, что является ненаблюдаемым (а точнее, наблюдаемым косвенно, иначе бы эту теорию уже отправили в утиль вслед за эфиром. Примером эффектов, косвенно подтверждающих наличие смысла в этих виртуальных построениях являются, например, излучение Хокинга и эффект Казимира).
Теперь, от микроуровня, перейдем к макро. Для этого нужно вспомнить о том, что у вакуума - несколько значений. То из них, которое является пустотой (без материи, пространства и времени) - называется Эйнштейновским вакуумом, получаемым решением уравнения Эйнштейна с лямбда-членом, равным нулю. Здесь следует заметить, что лямба-член, он же космологическая постоянная, систематически пытались выкинуть из уравнения, потому что никто не знает в чем его смысл. Зачем же он был введен? Ну, всё началось с того, что Эйнштейн полагал Вселенную стационарной, и лямбда-член символизировал прибитые к небу гвоздями звезды, как в старые добрые века, когда земля была плоской и стояла на трёх китах. Это если говорить грубо, потому что в физике слово "стационарность" означает свойство процесса не менять свои характеристики со временем, а Эйнштейн имел ввиду возможность статического решения своего уравнения. Это важно, потому что именно из решений уравнения Эйнштейна с нулевой лямбдой растут ноги у параллельных миров и множественной вселенной, почему, собственно, эти темы в фантастике и доминировали почти полвека (да и сейчас, хотя уже по инерции). И тут появился Фридман, который заявил что Вселенная - не стационарна, и вообще эволюционирует, и привел решение с отрицательной кривизной, а значит лямбда не нужна, и её можно выкинуть из уравнения - что и было сделано, после того, как открытие красного смещения доказало, что Вселенная расширяется. Любители орать "эйнштейн был неправ" аплодировали стоя. Разумеется, можно посмотреть и с другой стороны - вместо лямбды осталась единица, а выражение стало просто произведением единицы на метрический тензор, то есть лямбда де-факто осталась, просто стала определенной как положительная. Тем временем нидерландский астроном Виллем де Ситтер рассмотрел варианты, и обратил внимание что свойства вакуума напрямую связаны со значением и знаком лямбды, и описал вещь, известную как де-ситтеровская вселенная. И тот факт, что она хорошо описывает состояние Вселенной на ранних этапах, но потом начинает работать плохо, убедил неспециалистов выдвинуть скоропалительный вывод о том, что во-первых законы Вселенной со временем меняются, а во-вторых они могут меняться даже в пределах самой Вселенной - и отсюда неизбежно делают вывод о далеких инопланетянах, которые пользуясь иной физикой и летают со сверхсветовой скоростью, и вообще телепортируются, и технологии у них круче наших и так далее. Ну что можно на это сказать... Авторам фантастики, которые попытались создавать миры, основанные на другой физике таки не удалось сделать их непротиворечивыми. Но продолжим. Фанаты Фридмана и Эйнштейна ругались до 1998 года, когда внезапно оказалось, что вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением (таким образом, фанаты Фридмана сели в лужу), а значит лямбда не равна нулю, но и в то же время далека от единицы (напомню, лямбда равная нулю выкидывает из уравнения также метрический тензор, равная единице - оставляет его на месте). Про эту проблему мы возможно тоже как-нибудь поговорим, но в данный момент важно то, что мы живем во вселенной де Ситтера с множеством моделей разной степени достоверности, самой модной из которых является Лямбда-CDM, где CDM означает "с холодной темной материей". Модной - потому что часть ученых считают тёмную материю (и энергию) - костылём к модели Фридмана. В свою очередь фантасты тут же идею развили до реактора темной материи - что позволяет таскать энергию на халяву. Что тут скажешь, согласно теории тёмная материя взаимодействует с обычной примерно как нейтрино - то есть никак. Облом-с.
Связь микро и макроуровней - это одна из проблем физики. То, что годится для описания на микроуровне, на макроуровне не работает, и наоборот. Так что, у нас есть кугельблитц (термин из 50х, чёрная дыра из фотонов) с энергией Вселенной, и нулевой момент времени. Откуда этот кугельблитц взялся? Вопрос не имеет смысла, ибо в нулевой момент времени самого времени, равно как и пространства, повторюсь, не было. Таким образом можно с уверенностью и апломбом заявить, что указанное количество энергии во Вселенной было всегда. До определенного времени (опять 1998 год!). Если вспомнить, что во времена Декарта эфир по свойствам напоминал газ или жидкость, то расширение пространства в момент Большого Взрыва, неизбежно привело бы к падению температуры и давления, что применительно, например, к воде, означает конденсацию. А так как материя может преобразовываться в энергию, что и было эпично продемонстрировано с помощью атомной бомбы, то и обратный процесс тоже возможен, но, естественно, при некоторых условиях. Нас интересует - как из энергии появилась масса, и как эта масса просочилась через горизонт событий. Решение Керра (второй источник идей о вложенных вселенных) допускает хитрый финт ушами - если внутри одной чёрной дыры (например, наш энергетический кугельблитц, где из-за нарушения симметрии начала образовываться материя, и появились такие понятия как масса, время и пространство) образуется ещё одна чёрная дыра (из этой самой материи), то пространство таких фокусов не оценит и вывернется наизнанку - и образуется белая дыра, неприрывным потоком извергающим из себя материю, а из-за некоторых ограничений ("принцип космической цензуры") размеры дыры, и соответственно объем материи в единицу времени не могут превышать определенных пределов. А вот то, что после выделения горячая материя начала активно преобразовывать энергию в движение, в принципе, и называется "большим взрывом". Взрыв ли это? Ну, не совсем. Считается, что наше пространство находится на поверхности сферы, которую, как воздушный шарик, кое-что наддувает. Это "что-то" называется "время". Двигаться против его потока невозможно, что делает невозможными путешествия во времени и разные хитрые способы обмануть скорость света. Примерно через сто миллиардов лет горизонт событий позади нас скроет из виду эпицентр Большого Взрыва навсегда.
Дабы подытожить, хотелось бы закрыть вопрос на тему вмешательства Провидения в Большой взрыв. Образование материи началось по причине нарушения симметрии, и один поп как-то высказался мол, её Бог нарушил, потому что у него-де есть на всех нас План. После Второй Мировой Войны, и до самой своей смерти, японский физик Йоитиро Намбу исследовал такие вещи как квантовую электродинамику, физику конденсированных состояния, сверхпроводники и так далее, тесно общаясь с коллегами из разных стран, пока в 2008 году он не получил нобелевскую премию по физике, доказав, что нарушение симметрии носит спонтанный характер. Как и в случае с неравенством Белла, квантовая механика оказалаась права - миром правит статистически-значимый случай, а вовсе не какой-то Великий Замысел. Судьбы - нет, кроме той, что мы создаем сами.
Ну-с, с дебютом меня. Если вы дочитали до этого момента и у вас не взорвался мозг, зато появились вопросы - значит вы именно те люди, которым я - возможно - буду рад, со статистически значимой ввероятностью. Добро пожаловать!
