General

Якою була наша Всесвіт до Великого вибуху?

Фізиків-теоретиків і космологам доводиться шукативідповіді на самі фундаментальні питання: «Чому ми тут?», «Коли з'явився Всесвіт?» і «Як це сталося?» Однак незважаючи на очевидну важливість пошуку відповідей на ці питання, є питання, який затьмарює їх усіх своїм інтересом: «Що було до Великого вибуху? ».

Скажемо відверто: ми не можемо відповісти на це питання. Ніхто не може. Але ж ніхто не забороняє поміркувати на цю тему і розглянути кілька цікавих припущень? З цим згоден, наприклад, Шон Керролл з Каліфорнійського технологічного інституту. Минулого місяця Керролл брав участь на що проходить два рази в рік зустрічі Американського астрономічного співтовариства, де він запропонував кілька «предвзривних» сценаріїв, чиїм «фінальним акордом» могло б стати поява нашого Всесвіту. Знову ж таки, це всього лише міркування, а не теорії, тому просимо це враховувати.

«В той час, якщо можна так висловитися, ще не діяло тих законів фізики, які нам відомі, тому що« тоді »їх ще не існувало», - каже Керролл.

«Коли фізики говорять, що поняття не мають, щотоді відбувалося, вони говорять це на повному серйозі. Цей відрізок історії знаходиться в абсолютно непроглядній пітьмі », - погоджується Пітер Войт, фізик-теоретик Колумбійського університету.

Одним з найбільш дивних властивостей нашого Всесвітує те, що вона має дуже низьким рівнем ентропії. Цей термін є безліч інтерпретацій, але в даному випадку мова йде про ступінь невпорядкованості. І в разі із Всесвітом порядку в ній більше, ніж безладу. Уявіть собі бомбу, заповнену піском. Бомба вибухає, і що містяться в ній мільярди мільярдів піщинок розлітаються в різні боки - перед вами по суті макет Великого вибуху.

«Тільки замість очікуваного хаотичного розльоту ціпіщинки, що представляють матерію нашого Всесвіту, негайно перетворюються на безліч готових «піщаних замків», що утворилися незрозуміло яким чином і без сторонньої допомоги », - каже Стефан Кантрімен, аспірант Колумбійського університету.

Результатом Великого вибуху могло (і, можливо,мало) стати поява високого рівня ентропії маси у вигляді нерівномірно розподіленої матерії. Однак замість цього ми бачимо зоряні системи, галактики і цілі галактичні скупчення, об'єднані між собою. Ми бачимо порядок.

Крім цього, важливо розуміти, що ентропія, абоневпорядкованість, з часом можуть лише збільшуватися - той же піщаний замок рано чи пізно і без сторонньої допомоги знову розпадеться на безліч піщинок. Більш того, як вказує Керролл, наше спостереження за часом безпосередньо взаємопов'язане з рівнем ентропії з самого появи Всесвіту. При цьому саму ентропію можна розглядати як певне времязавісімое фізичне властивість, що володіє тільки одним напрямком ходу - в майбутнє.

Отже, ентропія, згідно із законами фізики, можетільки зростати, проте нинішній її рівень у Всесвіті дуже низький. На думку Керролла, це може означати лише одне: рання Всесвіт володіла ще меншим її рівнем, тобто Всесвіт повинна була бути ще більш організованою та впорядкованою. А це, в свою чергу, може наштовхувати на думку про те, що ж було з нашого Всесвіту власне до самого Великого вибуху.

«Є безліч людей, які вважають, що ранняВсесвіт був дуже простий, нецікавою і невиразною системою. Однак як тільки ви підключаєте до цього питання ентропію, то перспектива тут же змінюється, і ви розумієте, що в такому випадку з'являються речі, які необхідно пояснити », - продовжує Керролл.

Якщо навіть відкинути в сторону ентропію, то переднами залишаться й інші не менш важливі аспекти, які необхідно якимось чином підлаштувати під нашу нинішню Всесвіт, в якій ми живемо. Більш того, в деяких випадках низький рівень ентропії здається менш значущим, ніж в інших. Тому спробуємо розглянути три найбільш популярних припущення про те, що могло відбуватися зі Всесвіту до Великого вибуху.

Модель «Великого відскоку»

Згідно з однією з гіпотез, низький рівеньентропії нашого Всесвіту пов'язаний з тим, що її поява саме по собі стало результатом розпаду якоїсь «попередньої» Всесвіту. У цій гіпотезі йдеться, що наш Всесвіт могла утворитися в результаті стрімкого стиснення ( «відскоку»), керованого складними ефектами квантової гравітації (сингулярність), в свою чергу, породили Великий вибух. У свою чергу, це може говорити про те, що ми з однаковим успіхом можемо жити як в будь-якій точці нескінченної послідовності виникають Всесвітів, так і, навпаки, в «першій ітерації» Всесвіту.

Дану гіпотетичну модель появи Всесвітуще іноді називають моделлю «Великого відскоку». Перша згадка цього терміна звучить ще в 60-х, проте в більш-менш сформовану гіпотезу ця модель перетворилася лише 80-х - початку 90-х років.

Серед менш значущих спірних моментів, у моделі«Великого відскоку» є і явні недоліки. Наприклад, ідея колапсу в сингулярність суперечить загальній теорії відносності Ейнштейна - правилами, згідно з якими працює гравітація. Фізики вважають, що ефект сингулярності може існувати всередині чорних дір, однак відомі нам фізичні закони не можуть надати нам механізм, що дозволяє пояснити, чому «інша Всесвіт», досягнувши сингулярності, має породити Великий вибух.

«У загальній теорії відносності немає нічого, що вказувало б на« відскок »нового Всесвіту в результаті сингулярності», - каже Шон Керролл.

Однак це не єдиний великий спірний момент. Справа в тому, що модель «Великого відскоку» має на увазі наявність прямолінійного ходу часу зі знижується ентропією, однак, як говорилося вище, ентропія згодом тільки збільшується. Іншими словами, згідно з відомим нам законам фізики, поява відскакує Всесвіту неможливо.

Подальший розвиток моделі призвело до появигіпотези про те, що час у Всесвіті може бути циклічним. Але при цьому модель до цих пір не в змозі пояснити, яким чином йде в даний час розширення Всесвіту зміниться її стисненням. І все ж це не обов'язково означає, що модель «Великого відскоку» абсолютно хибна. Цілком можливо, що наші нинішні теорії про неї просто недосконалі і не до кінця продумані. Зрештою, фізичні закони, які ми зараз маємо, були виведені з урахуванням ліміту, згідно з яким ми здатні спостерігати за Всесвіту.

Модель «Сплячої» Всесвіту

«Можливо, до Великого вибуху Всесвітпредставляла собою якесь дуже компактне, повільно еволюціонує статичне простір », - теоретизируют такі фізики, як Курт Хінтербіхлер, Остін Джойс і Джастін Хурі.

Ця «предвзривная» Всесвіт повинна була матиметастабільним станом, тобто бути стабільною до того моменту, поки не з'явиться ще більше стабільний стан. За аналогією уявіть обрив, на краю якого в стані вібрації знаходиться валун. Будь-яке торкання до валуна призведе до того, що він зірветься в прірву або - що ближче до нашого випадку - відбудеться Великий вибух. Згідно з деякими теоріями «предвзривная» Всесвіт могла існувати в іншому вигляді, наприклад, у формі сплюснутого і дуже щільного простору. У підсумку цей метастабільний період підійшов до кінця: вона різко розширилася і придбала форму і стан того, що ми бачимо зараз.

«У моделі« сплячою »Всесвіту, однак, теж є свої проблеми», - каже Керролл.

«Вона також має означати наявність у нашого Всесвіту появи низького рівня ентропії і при цьому не пояснює, чому це так».

Однак Хінтербіхлер, фізик-теоретик з Університету Кейс Вестерн Резерв, не вважає появу низького рівня ентропії проблемою.

«Ми просто шукаємо пояснення динаміки,відбувалася до Великого вибуху, яка пояснює, чому ми бачимо те, що ми бачимо зараз. Поки це лише єдине, що нам залишається », - каже Хінтербіхлер.

Керролл, проте, вважає, що є ще одна теорія «предвзривной» Всесвіту, яка здатна пояснити низький рівень ентропії, наявний у нашому Всесвіті.

Модель «мультивселенной»

Поява нових всесвітів з «батьківської Всесвіту»

Гіпотетична модель мультивселенной уникаєнедомовок, пов'язаних зі зниженням ентропії, як у випадку з моделлю «Великого відскоку», і дає пояснення її низького рівня сьогодні, говорить Керролл. Вона бере свій початок з ідеї про «інфляції» - добре прийнятої, але неповної моделі Всесвіту. Термін «інфляція» і перше пояснення цієї моделі були запропоновані 1981-му році фізиком Аланом Гутом, зараз працюють в Массачусетському технологічному інституті. Відповідно до цієї моделі, простір після Великого вибуху різко розширилося. Настільки різко, що швидкість цього розширення виявилася вищою за швидкість світла. Згідно з квантовою механікою, в космосі постійно відбуваються випадкові, ледь помітні коливання енергії. У якийсь момент інфляційного періоду піки цих коливань досягли свого максимуму і стали причиною появи галактик, пустот і великомасштабних нізкоентропійних структур, які ми сьогодні і спостерігаємо у Всесвіті.

Сама інфляційна модель була розроблена на базіспостережень за космічним реліктовим мікрохвильовим випромінюванням - найдавнішим типом випромінювання, що з'явилися лише через кілька сотень тисяч років після Великого вибуху. Вчені вважають, що інфляційна модель відмінно пророкує його існування.

Відповідно до одного з припущень, Мультивсесвітможе бути результатом інфляції. У припущенні йдеться про те, що існує якась одна дуже-дуже велика Всесвіт, час від часу породжує більш компактні всесвіти. При цьому ніяка форма комунікації між цими вселеними неможлива. Маркус Ву з PBS Nova пояснює:

«На початку 80-х років фізики прийшли до думки, щоінфляція може володіти природою нескінченності, зупиняючись лише в деяких регіонах космосу, створюючи якісь закриті «кишені». Однак між цими «кишенями» інфляція триває, і протікає вона швидше за швидкість світла. У свою чергу, ізольовані один від одного «кишені» з часом стають Всесвітами ».

Керролу імпонує найбільше саме ця модель, хоча його власна запропонована модель дещо відрізняється від того, що описано вище:

«Це лише одна з версій теорії промультивселенной, проте основною відмінністю тут є те, що «батьківська Всесвіт» може мати високий рівень ентропії і породжує всесвіти з низьким її рівнем », - каже Керролл.

Відповідно до цієї моделі, до Великого вибуху булоякесь велике розширюється простір, з якого народилися наша і безліч інших всесвітів. Інші всесвіти знаходяться за межами наших можливостей їх виявлення і могли утворитися як до, так уже і після нашого Всесвіту.

Слід зазначити, що на даний момент це одназ найпопулярніших моделей. Проте вчені, зрозуміло, по-різному її сприймають. Одні підтримують цю ідею, інші, навпаки, зовсім з нею не згодні. Але якщо брати в приклад Пітера Войта з Колумбійського університету, то теорія мультивселенной хоч і виглядає дуже привабливою з науково-популярної точки зору, але здатна зробити фізиків ледачими і змусити припинити пошук відповідей на самі базові питання, наприклад, - чому фізичні константи в нашому Всесвіті саме такі, які вони є, - списавши все на варіативність.

«Теоретики розмірковують з приводу можливостііснування нескінченного числа всесвітів, і в кінцевому підсумку ми можемо прийти до чітких моделям, здатним пояснити, чому значення (на зразок фундаментальних властивостей спостережуваних нами частинок) можуть відрізнятися один від одного в кожній окремо взятій Всесвіту », - говорить Войт.

Войт побоюється, що одного разу основним питанням длянауки в цій сфері стане міркування на тему «як нам пощастило опинитися в цій випадкової Всесвіту, де все відбувається так, а не по-іншому, не дивлячись на нескінченну різноманітність можливостей, тому давайте кинемо цю затію з теоріями».

Який можна підвести підсумок? Багато фізиків отримують гроші за те, що сперечаються і пишуть книги, в яких намагаються описати, як Великий вибух і модель «предвзривной» Всесвіту здатні пояснити те, що ми бачимо сьогодні, хоча самі при цьому не знають і насправді не можуть знати, чому це так. Факт в тому, що навіть незважаючи на серйозні спрощення як в математичних моделях, так і поясненнях, ми не наблизилися до вірного відповіді, і нам належить провести ще безліч міркувань на цю тему, поки не прийдемо до потрібного результату.

«Важливо не тільки висувати теорії і гіпотези. Куди важливіше дати зрозуміти людям, що насправді ми поки самі не розуміємо, про що я говорю. Все це поки лише на рівні припущень, але я сподіваюся, що рано чи пізно ми зможемо знайти потрібну відповідь, який влаштує всіх », - каже Керролл.