Исследователи долго считали, что заглянуть за пределы Большого взрыва невозможно — это все равно что искать дорогу там, где ее никогда не существовало. Но группа ученых нашла способ обойти запрет и подсмотреть, что скрывалось до момента рождения Вселенной. Результаты этого эксперимента оказались настолько неожиданными, что ставят под сомнение все привычные теории о том, как устроен наш мир.
Идея о том, что у Вселенной было начало, родилась не так давно. В 1927 году бельгийский священник и астроном Жорж Леметр первым осознал, что если галактики разлетаются, значит, когда-то они были гораздо ближе друг к другу. Он предположил, что все существующее пространство когда-то было сжато в одну точку — «первоначальный атом».
Долгие годы эта гипотеза оставалась лишь смелой догадкой, пока в 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон не обнаружили реликтовое излучение. Это равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода, назвали «эхом Большого взрыва». Его существование доказало: наша Вселенная действительно вышла из раскаленного и сверхплотного состояния. Этот момент ученые называют горячим Большим взрывом, который произошел примерно 13,7 миллиарда лет назад.
Но здесь и скрывалась главная загвоздка. Физика позволяет нам «отмотать» пленку времени до этой точки, но попытка заглянуть глубже упирается в стену. Ученые не могут продвинуться дальше, потому что в игру вступают уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Они прекрасно работают в обычных условиях, но в момент экстремальной гравитации — например, внутри черной дыры или в момент рождения Вселенной — они перестают поддаваться точному решению. Математика просто ломается, оставляя нас перед так называемой сингулярностью — точкой с бесконечной плотностью, где перестают работать привычные законы физики.
Прорыв наступил тогда, когда физики перестали пытаться найти идеальное решение и пошли другим путем. Вместо того чтобы мучительно выводить точные формулы, они решили просчитывать примерные сценарии.
Симуляция невозможного
Еще с конца 50-х годов ученые экспериментировали с приблизительным решением уравнений Эйнштейна. Изначально они надеялись таким образом рассчитать гравитационные волны — те самые рябь пространства-времени, существование которых предсказывал Эйнштейн. В 2005 году этот подход наконец сработал, что привело к эпохальному открытию: в 2016 году гравитационные волны зарегистрировали напрямую.
Евгений Лим из Королевского колледжа Лондона, один из главных энтузиастов этого метода, решил применить ту же логику к вопросам космологии. Его план был прост на словах, но чудовищно сложен в исполнении: взять уравнения Эйнштейна, задать начальные условия пространства-времени и материи, а затем попросить суперкомпьютер просчитать, как эта система будет развиваться.
Сначала Лим думал, что справится малыми силами, но в итоге его команда создала настолько сложную и всеобъемлющую модель, что он сам сравнил это с попыткой построить одноместный истребитель, который в результате превратился в «Звезду Смерти». Эта мощнейшая симуляция получила название «численная относительность». Она позволяет ученым не гадать, а буквально наблюдать за тем, как вели бы себя разные варианты вселенных в разных условиях.
Конец эпохи инфляции?
Первое, что решили проверить исследователи с помощью новой методики — теорию космической инфляции. Эту теорию в 80-х годах предложили Алан Гут, Андрей Линде и их коллеги. Она объясняет, почему наша Вселенная такая однородная: почему в одной ее части материя распределена так же равномерно, как и в другой. Согласно этой гипотезе, сразу после рождения Вселенная пережила краткий, но чудовищный период расширения. Она раздулась от размеров субатомной частицы до размеров грейпфрута практически мгновенно. Любые неровности и сгустки материи это расширение просто «растянуло» и сгладило.
Однако у инфляции есть слабое место: никто не знает, что именно ею управляло. Физики ввели понятие гипотетического поля — инфлатона. Чтобы инфляция включилась, у этого поля должен был быть высокий потенциал (как у мяча на вершине горы), а чтобы выключиться — потенциал должен был резко упасть (мяч скатился с горы). Форма этого потенциала — была ли кривая вогнутой или выпуклой, крутой или пологой — напрямую влияет на то, как именно проходила инфляция.
В 2020 году Евгений Лим и Кэти Клаф из Лондонского университета королевы Марии применили численную относительность к этой проблеме. Результаты оказались неожиданными и даже немного тревожными для сторонников классической модели. Симуляции показали, что выпуклые поля запускают инфляцию гораздо охотнее, чем вогнутые. Это противоречит данным, полученным при изучении реликтового излучения, которые как раз указывают на вогнутую форму. Получается, либо наши наблюдения за реликтовым излучением недостаточно точны, либо теория инфляции работает не так, как мы думали.
Впрочем, Лим и его коллеги нашли и компромисс: некоторые варианты выпуклых полей (так называемые альфа-аттракторы) все же приводят к инфляции и при этом не противоречат наблюдениям. В новой работе, которая сейчас проходит рецензирование, команла Лима пошла дальше. Они использовали свои симуляции, чтобы предсказать, какие гравитационные волны должны были породить альфа-аттракторы. Если будущие обсерватории зарегистрируют волны именно с такими характеристиками, это станет весомым доказательством в пользу конкретной модели инфляции.
Вселенная, которая никогда не начиналась
Численная относительность не только проверяет старые теории, но и вдохнула новую жизнь в те, что долгое время считались неэффективными. Например, в теорию «Большого отскока». Согласно этой идее, никакой сингулярности не было. Вместо этого предыдущая Вселенная сжималась под действием гравитации, достигла критической точки и «отскочила», породив нашу нынешнюю расширяющуюся Вселенную.
Дэвид Гарфинкл из Оклендского университета в Мичигане вместе с коллегами, включая известного физика Пола Стейнхардта, изучает эту возможность. В недавней статье они показали, что фаза сжатия в циклической вселенной может сглаживать материю ничуть не хуже, чем инфляционное расширение. То есть механизм работает, но с другой стороны.
Критики теории отскока всегда указывали на проблему черных дыр. Если вселенная сжимается, что происходит с черными дырами из прошлой эпохи? Не сожмутся ли они настолько, что обнажат свою сингулярность, нарушив тем самым принцип космической цензуры (правило, согласно которому сингулярность всегда должна быть спрятана за горизонтом событий)? Уильям Ист из Института периметра в Канаде и его команда смоделировали этот сценарий и успокоили скептиков. Оказалось, что хотя горизонты событий черных дыр и сжимаются, они никогда не исчезают полностью, надежно укрывая сингулярность от внешнего мира.
Более того, наблюдения марта 2025 года, полученные с помощью спектроскопического инструмента DESI, добавили теории отскока очков. Данные показали, что скорость расширения Вселенной замедляется. Если бы она оставалась постоянной, переход к сжатию был бы крайне маловероятен. Замедление же делает такой сценарий более реалистичным.
У теории отскока остается много противников. Она требует существования экзотических форм материи с отрицательной плотностью энергии, что противоречит некоторым фундаментальным законам. Однако симуляции показывают: математически этот вариант вполне жизнеспособен.
Следы других вселенных
Но самое захватывающее открытие численная относительность подарила сторонникам теории мультивселенной. Если инфляция действительно существовала, то она могла происходить неравномерно. В каких-то областетях пространства инфлатонное поле могло «выключиться» раньше, в каких-то позже. Это привело бы к образованию «пузырей» — отдельных областей пространства, где расширение замедлилось, внутри бушующего моря продолжающейся инфляции. Каждый такой пузырь — это потенциальная вселенная, подобная нашей. Если пузыри зарождались слишком близко друг к другу, они могли столкнуться.
В 2011 году Хирания Пирис из Кембриджского университета с коллегами смоделировала такое столкновение. Оказалось, что оно должно было оставить неизгладимый след — характерные круговые отметины на реликтовом излучении. Изучив карту неба, исследователи нашли четыре области, которые соответствовали этим предсказаниям. Конечно, сенсационных заявлений тогда не последовало: данных было мало, а модели были слишком упрощенными. Но сам факт того, что следы возможного столкновения с «соседней» вселенной были обнаружены, заставил научный мир замереть в ожидании.
Сейчас Пирис и ее команда работают над тем, чтобы уточнить эти расчеты с помощью более совершенных методов численной относительности, аналогичных тем, что разработал Лим. Она хочет «подкрутить» физику в симуляциях, сделав предсказания более точными. Параллельно канадские исследователи выясняют, в каких именно условиях пузыри-вселенные образуются охотнее всего. Оказывается, они чаще растут в областях с высокой плотностью энергии. Эта информация тоже ляжет в основу новых алгоритмов поиска.
Post Scriptum
Численная относительность всего за несколько лет превратилась из узкого метода расчета гравитационных волн в мощнейший инструмент познания Вселенной. Кэти Клаф отмечает, что мы вступаем в захватывающую эру: симуляции, на которые раньше уходили две недели, теперь благодаря новым чипам можно прогнать всего за один день.
Этот метод уже заставил ученых усомниться в незыблемости теории инфляции и одновременно подкинул аргументы сторонникам циклических вселенных и мультивселенной. Он даже помогает в поисках «теории всего». Например, работа Лима по формам инфляционного поля показала, что большинство вариантов, успешно запускающих инфляцию, противоречат теории струн. Однако альфа-аттракторы, которые хорошо согласуются с наблюдениями, вполне можно вывести из некоторых версий струнной теории. Возможно, это намек на то, что ученые движутся в верном направлении.
Заглянув за завесу Большого взрыва, мы не нашли там пустоты. Мы нашли там поле для экспериментов, математическую песочницу, где рождаются и умирают виртуальные вселенные. И каждое такое рождение подкидывает физикам новые загадки, приближая нас к пониманию того, откуда же взялся этот удивительный мир, в котором мы живем.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости