Большой взрыв – главное событие Вселенной. Ученые не любят говорить, что было до него. Однако Большой взрыв – это не только начало нашего мира, но и окончание мира предыдущего, никому неизвестного. А может быть это продолжение еще более важного процесса?
Сейчас мы отправимся туда, где даже гениальные ученые чувствуют себя неуверенно, – к самой границе миров. И с той позиции заглянем в Великое прошлое.
Если лень читать, то смотрите (слушайте) видео.
Большой взрыв – наиболее популярная концепция возникновения нашего мира. В ее основе лежит простая идея – у Вселенной было начало. Для этой идеи есть основания:
1. В начале 20 века астрономы обнаружили, что наша Вселенная не статична, а расширяется с ускорением. Теоретически это явление было предсказано и обосновано Александром Фридманом, а потом подтверждено экспериментально Эдвином Хабблом. По длине спектральных световых волн, излучаемых удаленными галактиками, Хаббл обнаружил четкую линейную зависимость скорости удаления галактик от их расстояния до наблюдателя.
2. Закон Хаббла опирается на эффект Доплера, который был доказан экспериментально сперва для звуковых волн, а затем для остальных типов волновых колебаний. Для световых волн этот принцип работает так: Чем ближе источник видимого света, тем короче волна, а при удалении источника света волна удлиняется.
Получается, расширение Вселенной теоретически обосновано. Логика подсказывает: Если расширение Вселенной происходит, то когда-то в прошлом оно должно было начаться. Так появилась теория, согласно которой Большой взрыв дал старт расширению Вселенной и вообще всему, что существует.
Однако с момента своего появления, Теория большого взрыва мешает понять, что было до него. Все физические законы установились уже после Большого взрыва. То же касается химических законов. А абстрактные математические вычисления, в которых фигурируют скорость расширения Вселенной, скорость света, показатели гравитации и температуры и так далее, приводят к показателям бесконечной плотности и температуры.
Бесконечность – плохое понятие для того, чтобы исследовать то, что было до Большого взрыва.
Не исключено, что из-за крайне малых масштабов в мгновение до Большого взрыва Вселенная могла управляться законами квантовой механики. А классическая физика стала главным двигателем эволюции Вселенной уже в момент Большого взрыва.
Однако согласовать Теорию большого взрыва с квантовой механикой пока что не удавалось. Субатомные частицы квантового мира ведут себя совершенно не так, как это происходит в макромире. Частицы на субатомном уровне в одних случаях ведут себя как волны, в других – проявляют свойства частиц.
Согласно еще одной гипотезе, Вселенная, какой мы ее знаем, является потомком другой, родительской вселенной, от которой оторвался кусок пространства-времени. Этот процесс можно сравнить с выбросом альфа- или бета-частиц при радиоактивном распаде ядра. Также может работать и родительская вселенная. Только вместо частиц она выбрасывает бесконечно много вселенных, которые становятся параллельными, не взаимодействуют и не влияют друг на друга.
Такую структуру можно назвать Мультивселенной. Наверняка это похоже на дерево с множеством плодов – выглядит красиво и привычно. Однако говорить всерьез о Мультивселенной готовы пока что только философы. Возможно, когда-нибудь мы расскажем о самых интересных философских идеях, но сейчас нам нужны материальные свидетельства существования предыдущего мира. Или надежные доказательства его не существования.
Если популярные теории и гипотезы не надежны, придется отправиться в эпицентр Большого взрыва и с этой точки заглянуть в прошлое. Возьмем на вооружение принцип причинно-следственной связи. Пожалуй, это самый надежный способ познавания неизвестного мира.
Итак, за мгновение до Большого взрыва нет времени в привычном для нас понимании, а из пространства – только точка. Это и есть Сингулярность. Здесь не работают привычные нам законы. Здесь территория гипотез и идей. Судить о происходящем можно лишь по состоянию материи – это единственное, от чего можно оттолкнуться.
Перед Большим взрывом материя, скорее всего, обладала сверх плотностью и сверх массивностью. Критические характеристики плотности и массы могли стать причиной Большого взрыва и его Инфляционной стадии, которая происходила ничтожную долю секунды. Согласно теории, в момент инфляции линейные размеры юной Вселенной увеличились как минимум в 1026 раз, а её объём – как минимум в 1078 раз.
Столь масштабное расширение требует большого количества энергии. Вероятно, перед взрывом происходил процесс ее накопления и концентрации, который достиг критической стадии. Этот процесс можно назвать Большим сжатием.
Для объяснения природы Большого сжатия подойдет несколько инструментов. Например, Большое сжатие может походить на один из возможных сценариев будущего нашей сегодняшней Вселенной.
Существует гипотеза, что расширение Вселенной постепенно прекратится – перестанут формироваться новые звезды, а существующие постепенно исчезнут; галактики – столкнуться и сольются воедино. А потом Вселенная сожмется до критической стадии и снова взорвется.
Формирование и гибель звезд – хорошо изученный процесс, потому что в наше время тоже рождаются звезды, многие из них вместе со своими планетными системами. Звёзды образуются из облаков межзвездного газа, которые благодаря гравитации сжимаются и в процессе разогреваются. В недрах звезды начинаются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Со временем химический состав звезд меняется, происходит эволюция и вырождение. В конце концов, звезда превращается в сгусток материи высокой плотности, который принято называть черной дырой.
Слияние галактик также допускается. Существует даже модель столкновения Андромеды и Млечного Пути. Фрэнк Саммерс создал компьютерную визуализацию этого события.
Если продолжать аналогию с нашей Вселенной, то перед началом сжатия пространство будет состоять из черных дыр, темной энергии, темной материи.
С черными дырами понятно – это то что остается от звезд. Что известно о темной энергии и черной материи? Не больше, чем наши предки знали о природе ветра. Однако это не помешало им придумать парус и пользоваться ветром.
Всякое неизвестное и непонятное, физики склонны называть темным. Сущность тёмной энергии является предметом споров, но в некоторых ее свойствах сомнений нет:
1. Темная энергия заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Когда нужно было математически объяснить расширение Вселенной, то темная энергия стала космологической константой, потому что ее свойства остаются неизменными по крайней мере последние 8 млрд. лет.
2. Также известно, что темная энергия удивительно равномерно распределена в пространстве, испытывает гравитационное отталкивание вместо гравитационного притяжения, имеет низкую плотность и взаимодействует с обычной материей исключительно посредством гравитации. Благодаря этому она и была выявлена.
Что касается темной материи, то принято считать ее неизвестной формой существования материи. Она невидима, но обладает большой массой. Это проявляется гравитационным полем.
Было обнаружено, что нечто заставляет свет отклоняться, что характерно для массивных объектов. Но самого объекта не существует в видимом спектре. Это все равно что натолкнуться на витрину из толстого, но прозрачного стекла. Но если раз натолкнулся, то в следующий раз уже знаешь о ее существовании. Так и ученые научились определять области темной материи при помощи фиксации гравитационного поля.
Сейчас темная энергия и темная материя занимают примерно 95,1% Вселенной. Остальное – это вещество, из которого состоят звезды, планеты, пыль и вообще все-все, в том числе газы. Но как будет перед началом процесса Большого сжатия?
Гипотетически, когда все звезды и планеты погибнут, черные дыры ещё будут существовать. Черные дыры способны сливаться, поглощая все вокруг. Возможен сценарий, когда в результате слияний образуется единственная крайне большая чёрная дыра. Ее плотность и температура достигнут предела, и тогда произойдет новый Большой взрыв и все начнется с начала.
Получается, Большой взрыв – это не начало начал, а скорее момент, когда гравитационная энергия и другие формы энергии трансформируются в новую материю и излучение, а затем происходит новый период расширения, охлаждения и смерти Вселенной. Если такой цикл повторяется с определенной периодичностью, то такая космологическая модель соответствует теориям о циклической вселенной.
Важно, что отдельные теории не противоречит Закону сохранения энергии. Вселенная может находиться в любом состоянии в определенный момент времени, а затем переходить в другое состояние.
Теории о циклической вселенной также объясняют, почему от прошлого не осталось следов в виде реликтового излучения.
Реликтовое излучение – это микроволновый фон в космосе, который доходит до нас спустя миллиарды лет. Отсутствие реликтового излучения от прошлой вселенной объясняется тем, что ни черные дыры, ни темная материя не пропускают это излучение.
В 1930-х годах Альберт Эйнштейн высказывал идею о том, что Вселенная может переживать бесконечный цикл больших взрывов и больших сжатий, когда новая вселенная рождается каждый раз в результате гибели своей предшественницы.
В наше время интересную Циклическую модель Вселенной представили Пол Стейнхардт и Нил Турок. В этой гипотезе главную роль играет темная энергия – она порождает однородность Вселенной, которая раньше объяснялась коротким периодом Инфляции. А цикличность перерождения вселенной поясняется Теорией струн, которая связывает фундаментальную физику с квантовой гравитацией.
Теория струн объясняет формирование ядра атома из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц – кварков. На кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Колебания струны придают частицам их уникальные свойства – массу, заряд и прочее. Струна с более высокой частотой колебания, проявляется, как частица с большей массой. Струна – это не материя, а по сути энергия. Это как пламя костра, которое мы видим и ощущаем, но не можем потрогать. Теория струн намекает, что всё, что существует или может существовать, состоит на базовом уровне из энергии. Что ж, логично. Но где источник этой энергии?
Как уже говорилось, в рамках Циклической модели вселенной главной энергией является темная энергия. Если классическая физика не может объяснить ее природу, то в рамках Теории струн такое объяснение есть. Темная энергия – это результат взаимодействия бран.
Браны – это струны с более чем 1 измерением.
Мы наблюдаем наш мир двумерным. Только перемещение предмета в пространстве позволяет нам почувствовать его объём. Итого – три измерения. Плюс Общая теория относительности дает нам представление об еще одном – времени. Однако математические модели допускают множество измерений.
Теория струн утверждает, что Вселенная существует в десяти измерениях, но шесть из них мы не способны воспринять. Попытка наблюдать другие измерения похожа на попытку наблюдателя увидеть и описать здание – его размеры, формы, особенности фасада и кровли… – находясь внутри здания, в одной из его комнат с единственным маленьким окошком. Именно поэтому мы наблюдаем и представляем точку в пространстве и времени, как точку. В 10-мерной системе координат то, что мы видим точкой, может оказаться более сложной фигурой.
Браны существуют в пространствах, которые недоступны для наблюдения. Однако обладая свойствами струн, они также наделяют частицы массой и зарядом. В нашем мире это взаимодействие проявляется темной энергией, которая заставляет вселенную то расширяться, то сживаться в точку, которая наверняка не точка в многомерном пространстве.
Правда, пока что нет способов обнаружить струны или браны. Именно поэтому Теория струн остается в разряде теорий. Каждая из струн настолько мала, что если атом увеличить до размеров Солнечной системы, струна будет размером с грузовик. Из-за невозможности доказать их наличие экспериментальным путем, Теория струн остается гипотезой.
Тем не менее, Циклическая модель Вселенной не оспаривает некоторые постулаты Теории Большого взрыва. Она просто предлагает смотреть на Большой взрыв не как на начало, а как на следующую фазу эволюции вселенной. Часть эволюционных процессов происходят в других измерениях.
Соответствие законам физики и стройное теоретическое построение – это хороший знак. Но гипотеза Цикличной вселенной не избавляет нас от бесконечности. Вместо вопроса, что было до Большого взрыва, возникают вопросы: Как начался Циклический процесс и Что было до его начала?
Каждый последующий шаг потребует выхода за пределы того, что известно. И мы даже не понимаем правил игры – нам придется угадывать. Приглашаем отправится в новое путешествие, где мы будем исследовать свойства и природу циклической Вселенной. Подпишитесь на канал, чтобы ничего не пропустить.