Что было до Большого взрыва?
Согласно общепринятой теории Большого взрыва, Вселенная возникла из бесконечно плотного крошечного шара материи. Этот вселенский взрыв породил первые элементарные частицы, которые затем сформировали звезды и галактики. Но новые исследования в области теоретической физики недавно открыли возможное окно в очень раннюю Вселенную. По мнению теоретиков, она может быть не такой и «ранней».
Свежая гипотеза предполагает, что наша Вселенная находится в одной из итераций цикла «взрыв-отскок». Фото: UnsplashСвежая гипотеза предполагает, что наша Вселенная находится на одной из итераций цикла «взрыв-отскок», который продолжается вечность. А возможно, это лишь первый ее цикл. Конечно, прежде чем физики решат отказаться от теории Большого взрыва в пользу цикла «взрыв-отскок», эти теоретические предсказания должны выдержать проверку наблюдательных тестов.
Отсутствующая часть головоломкиУ ученых есть действительно хорошая картина очень ранней Вселенной, которую мы знаем как теорию Большого взрыва.
В этой модели давным-давно Вселенная была намного меньше, намного горячее и намного плотнее, чем сегодня. В тот ранний период 13,8 млрд лет назад все элементы, которые делают нас такими, какие мы есть, сформировались примерно за несколько первых минут жизни Вселенной. И все это родилось из компактного шарика бесконечной плотности, размером с персик, и температурой более квадриллиона градусов.
Удивительно, но эта фантастическая история подтверждает все современные наблюдения. Астрономы сделали все, от наблюдения за остаточным электромагнитным излучением молодой Вселенной до измерения распространенности легчайших элементов. И обнаружили, что все они совпадают с предсказаниями Большого взрыва. Насколько мы можем судить, это точный портрет нашей ранней Вселенной. Но картина Большого взрыва неполная — отсутствует часть головоломки. И эта часть — самые ранние моменты самой Вселенной. Это довольно большой кусок.
Проблема в том, что физика, которую мы используем для понимания ранней Вселенной, это удивительно сложная мешанина из общей теории относительности и физики частиц высоких энергии. Но она может привести нас только до определенного предела, прежде чем рухнет. По мере того как мы пытаемся погружаться все глубже и глубже в первые мгновения нашего космоса, математика становится все сложнее и сложнее. Если попытаться ее решить, она становится все труднее, вплоть до того момента, когда просто… прекращается.
Главный признак того, что нам еще предстоит исследовать, — это наличие «сингулярности». Это точка бесконечной плотности в начале Большого взрыва. Если принять это за чистую монету, это говорит нам о том, что в какой-то момент Вселенная была втиснута в бесконечно маленькую, бесконечно плотную точку. Это очевидно абсурдно. На самом деле все говорит нам о том, что для решения этой проблемы нам нужна новая физика — наш текущий набор инструментов для познания Вселенной просто недостаточно хорош.
Чтобы спасти положение, нам нужна новая физика. Нечто, способное справиться с гравитацией и другими силами вместе взятыми при сверхвысоких энергиях. И это именно то, на что претендует теория струн — физическая модель, способная справиться с гравитацией и другими силами, вместе взятыми при сверхвысоких энергиях. Именно эта теория способна объяснить самые ранние моменты Вселенной.
Что такое экпиротический сценарий?Одним из самых ранних понятий теории струн является «экпиротическая Вселенная», происходящая от греческого слова «пожар» или «огонь». В этом сценарии то, что мы знаем как Большой взрыв, было вызвано чем-то еще, что произошло до него — Большой взрыв был не началом, а частью более масштабного процесса.
Расширение экпиротической сценария привело к теории, опять же мотивированной теорией струн, называемой «циклической космологией». Удивительно, но идее о постоянно повторяющейся Вселенной тысячи лет, и она предшествует современной физике. Но теория струн дала этой идее твердое математическое обоснование.
Циклическая Вселенная движется именно так, как вы можете себе представить: постоянно «прыгает» между Большими взрывами и Большими схлопываниями. Вероятно, это происходит вечно и одинаково, как в прошлом, так и в будущем.
Ранние версии циклической модели с трудом совпадали с наблюдениями. Главным препятствием было согласование с нашими наблюдениями космического микроволнового фона — ископаемого света, оставшегося с того времени, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Ученым было трудно описать физику зарождающегося космоса — картина просто рушилась.
Реликтовое излучение. Фото: WikipediaОднако экпиротический факел продолжал гореть на протяжении многих лет. Статья, опубликованная в марте 2020 года, исследовала недостатки математики и раскрыла некоторые ранее упущенные возможности. Два физика из Университета Макгилла в Канаде и авторы исследования, Роберт Бранденбергер и Зивей Ванг, обнаружили, что момент «отскока», когда наша Вселенная сжимается до невероятно маленькой точки и возвращается в состояние Большого взрыва, можно описать математически так, чтобы получить правильный результат, проверенный наблюдением.
Таким образом, идея того, что до Большого взрыва был Большой «отскок», ставший результатом распада некоей «предыдущей» Вселенной, вполне имеет место быть. Но чтобы полностью проверить эту модель, нам придется дождаться нового поколения космологических экспериментов.
Напомним, что ранее мы объясняли, что такое световой год.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
А было ли что-нибудь до Большого Взрыва?
У всего, что нас окружает, есть прошлое: у человечества, у растительного и животного мира, у атмосферы и океанов, у суши и у самой планеты Земля. Солнце немного старше Земли, а Галактика значительно старше Солнца. Значит, и у Земли, и у Солнца есть своё прошлое. Есть оно и у Галактики, которая появилась примерно 10—12 миллиардов лет назад. Казалось бы, всё просто и ясно, но если копнуть глубже, то простое и ясное сменяется непонятным, загадочным, таинственным…
Одна из соседок нашей Галактики — Большая туманность Ориона.
Фото НАСА.
Открыть в полном размере
‹
›
Узнав о Большом взрыве, люди задумались: а что было до него? На первый взгляд это простой вопрос, который может возникнуть у каждого. Но в действительности это, пожалуй, самый трудный вопрос и ответить на него однозначно пока не смог никто. Такое положение, конечно, не устраивало учёных, ведь они привыкли рано или поздно находить ответы на самые разные, в том числе очень сложные вопросы. Взявшись за раскрытие главной тайны Вселенной — что было до Большого взрыва? — исследователи получили не один, а довольно много ответов, весьма странных и непонятных простым людям.
Главный из ответов сводился к тому, что до Большого взрыва не было вообще ничего. Получается, что Вселенная произошла из Ничего, что Ничто породило Всё! Невозможно себе даже представить, когда и почему такое могло произойти. Любой скажет, что из Ничего нельзя не только создать Вселенную, но и смастерить табуретку. Однако учёные настаивают на своём.
Возможно, Ничто — это отсутствие не только каких-нибудь небесных тел, атомов, любых элементарных частиц, но и самого пространства и времени. Возможно также, что в таинственном Ничто отсутствовали привычные нам формы вещества. Но это была не совсем пустота, и там происходили какие-то процессы, в результате которых могли возникать маленькие взрывы и в конце концов случился Большой взрыв. Чтобы найти подтверждение своей гипотезе, исследователи пытаются создать что-то похожее на Ничто. Они построили специальные камеры, из которых удалили частицы вещества, и понизили температуру, почти достигнув холода космического пространства. Оказалось, что получившееся Ничто на самом деле представляет собой Что-то и его можно исследовать различными способами.
И всё-таки очень многие не согласны с тем, что Вселенная произошла из Ничего. Противники этой гипотезы отвечают на вопрос, что было до Большого взрыва, по-разному. Главная идея сводится к тому, что Большой взрыв — выдающееся событие в истории Вселенной, но Вселенная существовала и до него. Пока мало что можно сказать о том, каким был этот «предок» нашей Вселенной, но можно предположить, что в его истории произошло нечто такое, что привело к Большому взрыву, породившему нашу Вселенную.
Есть, конечно, и другие мнения. Может быть, до Большого взрыва существовала Вселенная, похожая на нашу, а может быть, совсем не похожая. Можно предположить также, что до нашей Вселенной были хотя бы две другие вселенные, столкновение которых привело к Большому взрыву.
По мнению некоторых исследователей, Вселенная существует вечно и в её истории Большие взрывы сменяются Большими хлопками. Такие хлопки могли бы происходить, если бы расширение Вселенной сменялось сжатием.
Давайте пофантазируем и представим себе, что другие вселенные — такие же, как наша, или похожи на неё, то есть состоят из множества галактик, звёзд и планет. Планет так много, что наверняка на некоторых из них существует разумная жизнь. Их обитатели достигли очень высокого уровня развития и стали властителями своей галактики. Конечно, они научились летать со своих планет к далёким звёздам, вокруг которых движутся планеты, подобно тому как наша планета движется вокруг Солнца.
Постепенно они освоили много планетных систем в своей галактике, встречаясь при этом, конечно, с местными инопланетянами.
Всё может быть и совершенно иначе, если в Большой Вселенной существуют вселенные, во всём не похожие на нашу. Даже фантастам трудно представить себе, что творится в этих вселенных, а если в них есть жизнь, то какова она, на что похожа и на какие чудеса способны её обитатели.
В невероятное верится с трудом или вообще не верится. Но разве легко было науке убедить людей в том, что, например, Земля — шар? Когда-то тех, кто говорил такое, считали глупцами, потому что только глупцы могли думать, что Земля не плоская. Все были уверены, что на шаре жить невозможно, потому что живущим «внизу» пришлось бы ходить вниз головой. Невозможно было поверить и в то, что Земля вращается вокруг Солнца. Ведь мы каждый день видим, как Солнце восходит, поднимается над горизонтом, а потом заходит. Создаётся полное впечатление, что Солнце движется вокруг Земли.
Интересно, что через несколько десятков лет будут думать люди о том, что было до Большого взрыва?
Из книги «Самый-самый Большой взрыв».
Что было до Большого Взрыва? Все, что вам нужно знать
Каковы доказательства Большого Взрыва?Вселенная не существовала вечно. Он родился. Около 13,82 миллиарда лет назад материя, энергия, пространство и время взорвались огненным шаром, названным Большим взрывом. Он расширился, и из остывающих обломков образовались галактики — островки звезд, среди которых наш Млечный Путь — один из примерно двух триллионов. Это теория Большого Взрыва.
Вселенная, возникающая из ничего, настолько безумна, что ученые должны были пинаться и кричать, чтобы принять эту идею.
Но доказательства убедительны. Галактики разлетаются, как куски космической шрапнели. И тепло Большого Взрыва все еще вокруг нас. Сильно охлажденное космическим расширением, это «послесвечение» проявляется не как видимый свет, а главным образом как микроволновое излучение — «космическое фоновое излучение», открытое радиоастрономами в 1919 г.65.
При взрыве динамитной шашки детонация происходит в одном месте и осколки летят в пустоту. В Большом взрыве не было ни центра, ни ранее существовавшей пустоты, поэтому он не произошел ни в каком «месте». Возникло само пространство и сразу начало расширяться повсюду.
Книги по астрономии часто сравнивают Вселенную с поднимающимся пирогом с изюмом, символизирующим галактики. По мере того, как пирог растет, изюм удаляется друг от друга, не имея центра расширения — как при Большом взрыве. Но, конечно, у торта есть край, в отличие от Вселенной, который может продолжаться вечно.
Нет идеальных аналогий!
Больше похожего на это
Был ли Большой взрыв одноразовым?В начале Большого Взрыва был инфляционный вакуум. Когда он удвоил свой объем, он удвоил свою энергию; когда он утроил свой объем, он утроил свою энергию. Если бы банкноты были такими, и вы разобрали стопку, их стало бы еще больше. Физики называют инфляцию «абсолютным бесплатным обедом»!
Инфляционный вакуум расширялся все быстрее. Но это была «квантовая» штука. А квантовые вещи фундаментально непредсказуемы. Случайным образом во всем инфляционном вакууме его части «распадались» до обычного, бытового вакуума.
Представьте крошечные пузыри, образующиеся в огромном океане. В каждом пузыре инфляционный вакуум исчезал, но его огромная энергия должна была куда-то деваться. Он пошел на создание материи и ее нагревание. Это привело к созданию Большого Взрыва. Наша Вселенная Большого Взрыва — всего лишь один такой пузырь среди возможной бесконечности других вселенных Большого Взрыва в постоянно расширяющемся инфляционном вакууме!
Чтобы все это запустить, понадобился кусок инфляционного вакуума всего килограмм.
Невероятно, но законы квантовой теории позволяют ему появиться из ничего.
Основная идея — что Вселенная изначально была горячей и плотной и с тех пор расширяется и охлаждается — неопровержима. Но космологам пришлось внести коррективы в теорию, чтобы учесть некоторые наблюдения.
Во-первых, в стандартной модели Большого взрыва галактики растут за счет гравитационного притяжения материи. Но если бы это было единственное, что происходит, то для их формирования потребовалось бы гораздо больше времени, чем 13,82 миллиарда лет. Астрономы исправляют это, постулируя, что видимые звезды и галактики в шесть раз перевешивают невидимую «темную материю», дополнительная гравитация которой ускоряет формирование галактик.
Во-вторых, базовый Большой взрыв предсказывает, что гравитационное притяжение между галактиками действует как паутина эластичного, замедляющего космическое расширение. Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется.
Они фиксируют это, постулируя существование «темной энергии», которая невидима, заполняет пространство и обладает отталкивающей гравитацией.
Последняя корректировка базовой теории необходима, чтобы объяснить, почему во Вселенной везде одинаковая температура. Чтобы объяснить это, астрономы считают, что Вселенная вначале была меньше, чем ожидалось, а затем за первую долю секунды подверглась сверхбыстрому расширению — «инфляции». Это было вызвано «инфляционным вакуумом», высокоэнергетической версией вакуума, который существует сегодня в космосе.
Подробнее о Большом Взрыве:
- Если бы мы сделали достаточно мощный телескоп, смогли бы мы теоретически увидеть свет Большого Взрыва?
- Что, если Большой Взрыв не был началом?
- Кто на самом деле обнаружил тепло Большого Взрыва?
Два столпа современной физики — общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория.
Первый безраздельно властвует в крупномасштабной Вселенной, а второй управляет мелкомасштабным миром атомов и их составляющих. Они сопротивлялись слиянию, что является проблемой, потому что во время Большого взрыва Вселенная была маленькой.
Чтобы понять, как она возникла, необходимо объединить теорию Эйнштейна с квантовой теорией. Лучшим кандидатом является «теория струн», которая рассматривает основные строительные блоки реальности как крошечные струны массы-энергии, вибрирующие в 10-мерном пространстве-времени. Только получив такую теорию, мы сможем ответить на главные вопросы: что такое пространство? Сколько времени? Что такое Вселенная? И откуда оно взялось?
Откуда взялась Вселенная?
гремлин—Getty Images Космический дом, в котором мы живем, удивительно красив и огромен. Только подумайте о фотографиях изысканных планет, галактик и туманностей, которые НАСА прислало нам домой. Сделайте еще одну паузу, чтобы подумать о том факте, что наблюдаемая Вселенная имеет диаметр 93 миллиарда световых лет.
Реальность, однако, такова, что за пределами наблюдаемой Вселенной существует обширная область космического пространства-времени, в которую мы никогда не сможем заглянуть, даже с помощью самых мощных телескопов, которые мы когда-либо могли построить.
Краткая история космологии
На протяжении тысячелетий некоторые из величайших умов мира верили, что Вселенная существовала всегда. Это включало греческого философа Аристотеля, но восходит еще дальше к вавилонским и индуистским мифам. Если Вселенная существовала всегда, то довольно легко и просто сделать вывод, что Вселенной не нужно было иметь причину. Задача решена. Но действительно ли это так просто? Разве ваше любопытство не побуждает вас копнуть глубже?
В 1714 году именно это любопытство заставило немецкого математика Готфрида Лейбница задуматься над фундаментальным вопросом: почему существует нечто, а не ничто? Конечно, возможно, что в какой-то момент Вселенной не существовало. Но если это так, то откуда оно взялось и почему оно здесь?
Давайте перемотаем часы на 110 лет вперед, в 1824 год, когда французский инженер Николя Карно изучал, как работают тепловые двигатели.
Он открыл одно из самых фундаментальных свойств природы — второй закон термодинамики. Этот закон говорит нам, что вещи в природе, когда их оставляют в покое, медленно приходят к равновесию, при котором вся энергия распределяется равномерно. Итак, если есть вещи, которые все еще имеют более высококонцентрированную полезную энергию, например солнце, мы еще не достигли состояния равновесия. Это обеспечивает мощную научную поддержку реальности того, что Вселенная не всегда была здесь.
Век спустя, в 1917 году, немецкий космолог Альберт Эйнштейн работал над своей общей теорией относительности. Он был обескуражен, а затем раздражен, обнаружив, что его теория указывает на вселенную, которая может изменять свой размер и форму с течением времени. В течение десятилетия два коллеги-ученых, Александр Фридман и Жорж Леметр, использовали работу Эйнштейна, чтобы показать, что Вселенная действительно менялась с течением времени и, по сути, имела начало. Это стало известно как теория Большого взрыва.
Научное подтверждение того, что Вселенная имела начало, действительно выдвигает на первый план вопрос о ее происхождении. Мы больше не можем игнорировать этот вопрос, просто предполагая, что он всегда был здесь. Итак, откуда взялась Вселенная?
Вселенная из ничего?
Есть учёные, которые верят, что Вселенная и сама концепция пространства-времени действительно возникли из ничего. Эта идея ошеломляет; могла ли целая Вселенная — кварки, квазары и квокки — возникнуть буквально из ничего? Каким бы неправдоподобным это ни казалось, есть некоторые весьма авторитетные ученые, утверждающие, что так оно и было на самом деле. Например, Лоуренс Краусс написал книгу под названием 9.
0089 Вселенная из ничего: почему существует нечто, а не ничто . Знаменитый космолог Стивен Хокинг в своей книге «Великий замысел » сделал замечание: «Поскольку существует закон, подобный закону гравитации, Вселенная может и будет создавать себя из ничего».
Предположение о том, что Вселенная возникла из ничего, противоречит не только логике, но и физике. Если такие вещи, как вселенные, могут просто появляться из ничего, почему мы не видим менее грандиозные вещи, такие как Volvo, гориллы и гигантские реактивные самолеты, просто возникающие из ничего перед нашими глазами? Хотя это может показаться довольно захватывающим, если такие вещи могут внезапно появиться, мы просто не сталкиваемся с этим. Это также было бы довольно запутанно, неудобно и даже опасно, если бы они это сделали. Гораздо лучше признать метафизическую истину, что вещи не возникают буквально из ничего.
Если вы действительно внимательно прочитаете книги Краусса и Хокинга, то внезапно поймете, что они на самом деле не говорят о том, что Вселенная возникла буквально из ничего.
Их «ничто» на самом деле является чем-то, что физики называют квантовым вакуумом. Хотя обычно мы думаем о вакууме как о пустом пространстве, квантовый вакуум заполнен изменчивым морем энергии. Это означает, что квантовый вакуум, как должны напомнить нам физики, «ни в коем случае не является простым пустым пространством». Таким образом, Краусс и Хокинг на самом деле не ответили на вопрос, как Вселенная могла возникнуть буквально из ничего — они просто уклонились от фундаментального вопроса, заставив квантовый вакуум звучать так, как будто это ничто.
Пузырьковые вселенные
Одна из вещей, которые могут происходить в квантовом вакууме, заключается в том, что частицы, подобные маленьким пузырькам, внезапно появляются, а затем исчезают. Если частицы могут возникать вот так, то как насчет маленьких пузырьковых вселенных, которые продолжают расти и расширяться? Эта идея открыла перед космологами совершенно новые возможности. Возможно, существует гораздо большая вселенная, существовавшая здесь всю вечность, внутри которой вся наша вселенная — просто квантовый пузырь, возникший миллиарды лет назад.
Идея множественных вселенных — мультивселенной — это не только теория научной фантастики, но и обсуждаемая учеными.
Проблема с этой идеей в том, что эти пузыри-вселенные могут появиться где угодно, и точно так же, как пузыри, которые надувают ваши дети, эти пузыри-вселенные начнут сталкиваться друг с другом и, возможно, сливаться во все большие и большие комки. Если бы большая вселенная была бесконечно старой, то все эти пузырьковые вселенные уже слились бы воедино, и мы должны были бы наблюдать бесконечно старую вселенную. Но, опять же, это не то, что мы наблюдаем. Даже если бы наша Вселенная действительно внезапно появилась в виде пузыря в квантовом вакууме — что на самом деле очень спекулятивно, поскольку мы никогда не наблюдали вселенных, начинающихся с пузырей, — факт в том, что предполагаемый квантовый вакуум сам по себе имел бы начало. Затем следует следующий вопрос: откуда взялся квантовый вакуум?
Теория струн
Чтобы попытаться объединить всю реальность в единую Теорию Всего, ученые предположили, что на самом фундаментальном уровне наш мир состоит из крошечных вибрирующих струн.
Теория струн предполагает, что частицы больше похожи на крошечные клубки нитей. Ученые используют концепцию струн, чтобы попытаться объединить все фундаментальные физические силы материи, гравитации и электромагнетизма.
Теория струн использовалась для объяснения двух аспектов Вселенной. Во-первых, ученые считают, что теория струн может объяснить, почему Вселенная очень точно настроена, чтобы могли существовать стабильные структуры, такие как звезды, галактики и даже разумная жизнь. Другой способ, которым теория струн использовалась для описания нашей Вселенной, состоит в том, чтобы предположить, что наша Вселенная существует в пространстве еще более высокого измерения. Затем наша вселенная может столкнуться с другими «вещами» в многомерном пространстве. Эти взаимодействия могут быть причиной сжатия и расширения нашей Вселенной, одним из которых был предполагаемый Большой Взрыв.
Хотя эти идеи, исходящие из теории струн, могут показаться довольно захватывающими, особенно возможность достижения великой Теории Всего, реальность такова, что такая теория все равно не решит фундаментальный вопрос.
На космологической конференции в Калифорнийском университете в Дэвисе Стивен Хокинг, выступая с докладом под названием «Космология сверху вниз», признал это: «Даже когда мы поймем окончательную теорию, она мало что скажет нам о том, как Вселенная началась». Кроме того, откуда взялись струны, если они вообще существуют, и почему они обладают теми качествами, которыми, по-видимому, обладают?
Сверхъестественная причина
Итак, если эти космологические объяснения не являются безупречными, какие есть другие альтернативы? Есть еще одна причина существования вселенной, и это существование Бога, всемогущего существа, создавшего ее. К такому выводу пришел Готфрид Либниц, который изначально поставил вопрос: почему существует нечто, а не ничто? Это также вывод из множества религий, включая ислам, христианство и то, во что верят некоторые подмножества индуизма. Если бы существовал всемогущий, всезнающий Творец, то это высшее существо имело бы способность и знания, чтобы быть творцом вселенной, в которой мы живем.
Его творческая сила объяснила бы, почему существует нечто, а не ничто. Его знание и преднамеренность также объяснили бы, почему наша Вселенная была так тонко настроена, чтобы в ней могли жить люди. Поскольку невозможно иметь бесконечную цепь причин, зависящих от других причин, Бог должен быть конечной Беспричинной Причиной, что означает, что Он необходимо существует вне пространства и времени, без начала и конца. Наконец, тот факт, что Вселенная имела начало в определенный момент времени, а также имеет очень тщательно подобранные физические параметры, означает, что конечная Беспричинная Причина обладает разумом и силой выбора. Другими словами, Бог есть Личность. Когда Он называет Себя «Яхве» или «Я есмь», Он имеет в виду Свое вечное существование и положение Творца, как описано в Бытие 1.
После всех усилий космологов, пытавшихся понять и описать Вселенную, Бог остается лучшим и единственным объяснением. Американский астроном Роберт Джастроу хорошо выразился: «Для ученого, который жил своей верой в силу разума, история заканчивается как страшный сон.