Что было до сингулярности вселенной
Какой была наша Вселенная до Большого взрыва?
Физикам-теоретикам и космологам приходится искать ответы на самые фундаментальные вопросы: «Почему мы здесь?», «Когда появилась Вселенная?» и «Как это произошло?» Однако несмотря на очевидную важность поиска ответов на эти вопросы, есть вопрос, который затмевает их всех своим интересом: «Что было до Большого взрыва?».
Вселенная слишком мало изучена.
Какой была Вселенная
Скажем откровенно: мы не можем ответить на этот вопрос. Никто не может. Но ведь никто не запрещает порассуждать на эту тему и рассмотреть несколько интересных предположений? С этим согласен, например, Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института. В прошлом месяце Кэрролл принимал участие на проходящей два раза в год встрече Американского астрономического сообщества, где он предложил несколько «предвзрывных» сценариев, чьим «финальным аккордом» могло бы стать появление нашей Вселенной. Опять же, это всего лишь рассуждения, а не теории, поэтому просим это учитывать.
«В то время, если можно так выразиться, еще не действовало тех законов физики, которые нам известны, потому что «тогда» их еще не существовало», — говорит Кэрролл.
«Когда физики говорят, что понятия не имеют, что тогда происходило, они говорят это на полном серьезе. Этот отрезок истории находится в абсолютно непроглядной тьме», — соглашается Питер Войт, физик-теоретик Колумбийского университета.
«Только вместо ожидаемого хаотичного разлета эти песчинки, представляющие материю нашей Вселенной, немедленно превращаются во множество готовых «песчаных замков», образовавшихся непонятно каким образом и без посторонней помощи», — говорит Стефан Кантримен, аспирант Колумбийского университета.
Результатом Большого взрыва могло (и, возможно, должно было) стать появление высокого уровня энтропии массы в виде неравномерно распределенной материи. Однако вместо этого мы видим звездные системы, галактики и целые галактические скопления, объединенные между собой. Мы видим порядок.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Что происходит с энтропией
Помимо этого, важно понимать, что энтропия, или неупорядоченность, со временем могут лишь увеличиваться – тот же песчаный замок рано или поздно и без посторонней помощи снова распадется на множество песчинок. Более того, как указывает Кэрролл, наше наблюдение за временем напрямую взаимосвязано с уровнем энтропии с самого появления Вселенной. При этом саму энтропию можно рассматривать как некое времязависимое физическое свойство, обладающее только одним направлением хода – в будущее.
Итак, энтропия, согласно законам физики, может только возрастать, однако нынешний ее уровень во Вселенной очень низок. По мнению Кэрролла, это может означать лишь одно: ранняя Вселенная обладала еще меньшим ее уровнем, то есть Вселенная должна была быть еще более организованной и упорядоченной. А это, в свою очередь, может наталкивать на мысль о том, что же было с нашей Вселенной собственно до самого Большого взрыва.
«Есть множество людей, считающих, что ранняя Вселенная была очень простой, неинтересной и невыразительной системой. Однако как только вы подключаете к этому вопросу энтропию, то перспектива тут же меняется, и вы понимаете, что в таком случае появляются вещи, которые необходимо объяснить», — продолжает Кэрролл.
Если даже отбросить в сторону энтропию, то перед нами останутся и другие не менее важные аспекты, которые необходимо каким-то образом подстроить под нашу нынешнюю Вселенную, в которой мы живем. Более того, в некоторых случаях низкий уровень энтропии кажется менее значимым, чем в других. Поэтому попытаемся рассмотреть три наиболее популярных предположения о том, что могло происходить со Вселенной до Большого взрыва.
Модель «Большого отскока»
Вот так все было. Или не было.
Данную гипотетическую модель появления Вселенной еще иногда называют моделью «Большого отскока». Первое упоминание этого термина звучит еще в 60-х, однако в более-менее сформированную гипотезу эта модель превратилась лишь 80-х – начале 90-х годов.
Может ли Большой Разрыв привести к новому Большому Взрыву?
«В общей теории относительности нет ничего, что указывало бы на «отскок» новой Вселенной в результате сингулярности», — говорит Шон Кэрролл.
Однако это не единственный большой спорный момент. Дело в том, что модель «Большого отскока» подразумевает наличие прямолинейного хода времени со снижающейся энтропией, однако, как говорилось выше, энтропия со временем только увеличивается. Другими словами, согласно известным нам законам физики, появление отскакивающей Вселенной невозможно.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Дальнейшее развитие модели привело к появлению гипотезы о том, что время во Вселенной может являться циклическим. Но при этом модель до сих пор не в состоянии объяснить, каким образом идущее в настоящее время расширение Вселенной сменится её сжатием. И все же это необязательно означает, что модель «Большого отскока» совершенно ошибочна. Вполне возможно, что наши нынешние теории о ней просто несовершенны и не до конца продуманы. В конце концов, физические законы, которые мы сейчас имеем, были выведены с учетом лимита, согласно которому мы способны наблюдать за Вселенной.
Модель «Спящей» Вселенной
«Возможно, до Большого взрыва Вселенная представляла собой некое очень компактное, медленно эволюционирующее статичное пространство», — теоретизируют такие физики, как Курт Хинтербихлер, Остин Джойс и Джастин Хури.
Эта «предвзрывная» Вселенная должна была обладать метастабильным состоянием, то есть быть стабильной до того момента, пока не появится еще более стабильное состояние. По аналогии представьте обрыв, на краю которого в состоянии вибрации находится валун. Любое касание до валуна приведет к тому, что он сорвется в пропасть или — что ближе к нашему случаю – произойдет Большой взрыв. Согласно некоторым теориям «предвзрывная» Вселенная могла существовать в ином виде, например, в форме сплюснутого и очень плотного пространства. В итоге этот метастабильный период подошел к концу: она резко расширилась и приобрела форму и состояние того, что мы видим сейчас.
«В модели «спящей» Вселенной, однако, тоже имеются свои проблемы», — говорит Кэрролл.
«Она тоже предполагает наличие у нашей Вселенной появления низкого уровня энтропии и при этом не объясняет, почему это так».
Однако Хинтербихлер, физик-теоретик из Университета Кейс Вестерн Резерв, не считает появление низкого уровня энтропии проблемой.
«Мы просто ищем объяснение динамики, происходившей до Большого взрыва, которая объясняет, почему мы видим то, что мы видим сейчас. Пока это лишь единственное, что нам остается», — говорит Хинтербихлер.
Кэрролл, тем не менее, считает, что есть еще одна теория «предвзрывной» Вселенной, которая способна объяснить низкий уровень энтропии, имеющийся в нашей Вселенной.
Модель «Мультивселенной»
Появление новых вселенных из «родительской Вселенной»
Гипотетическая модель Мультивселенной избегает недомолвок, связанных со снижением энтропии, как в случае с моделью «Большого отскока», и дает объяснение ее низкого уровня сегодня, говорит Кэрролл. Она берет свое начало из идеи об «инфляции» — хорошо принятой, но неполной модели Вселенной. Термин «инфляция» и первое объяснение этой модели были предложены 1981-м году физиком Аланом Гутом, в настоящий момент работающим в Массачусетском технологическом институте. Согласно данной модели, пространство после Большого взрыва резко расширилось. Настолько резко, что скорость этого расширения оказалась выше скорости света. Согласно квантовой механике, в космосе постоянно происходят случайные, едва заметные колебания энергии. В какой-то момент инфляционного периода пики этих колебаний достигли своего максимума и стали причиной появления галактик, пустот и крупномасштабных низкоэнтропийных структур, которые мы сегодня и наблюдаем во Вселенной.
Сама инфляционная модель была разработана на базе наблюдений за космическим реликтовым микроволновым излучением – самым древним типом излучения, появившимся спустя всего несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Ученые считают, что инфляционная модель отлично предсказывает его существование.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Согласно одному из предположений, мультивселенная может являться результатом инфляции. В предположении говорится о том, что существует некая одна очень-очень большая Вселенная, время от времени порождающая более компактные вселенные. При этом никакая форма коммуникации между этими вселенными невозможна. Маркус Ву из PBS Nova объясняет:
«В начале 80-х годов физики пришли к мнению, что инфляция может обладать природой бесконечности, останавливаясь лишь в некоторых регионах космоса, создавая некие закрытые «карманы». Однако между этими «карманами» инфляция продолжается, и протекает она быстрее скорости света. В свою очередь, изолированные друг от друга «карманы» со временем становятся Вселенными».
Кэрроллу импонирует больше всего именно эта модель, хотя его собственная предложенная модель несколько отличается от того, что описано выше:
«Это лишь одна из версий теории о мультивселенной, однако основным отличием здесь является то, что «родительская Вселенная» может обладать высоким уровнем энтропии и порождает вселенные с низким ее уровнем», — говорит Кэрролл.
Согласно данной модели, до Большого взрыва было некое большое расширяющееся пространство, из которого родились наша и бесконечное множество других вселенных. Другие вселенные находятся за пределами наших возможностей их обнаружения и могли образоваться как до, так уже и после нашей Вселенной.
Следует отметить, что на данный момент это одна из самых популярных моделей. Тем не менее ученые, разумеется, по-разному ее воспринимают. Одни поддерживают эту идею, другие, наоборот, совершенно с ней не согласны. Но если брать в пример Питера Войта из Колумбийского университета, то теория Мультивселенной хоть и выглядит очень привлекательной с научно-популярной точки зрения, но способна сделать физиков ленивыми и заставить прекратить поиск ответов на самые базовые вопросы, например, — почему физические константы в нашей Вселенной именно такие, какие они есть, — списав все на вариативность.
«Теоретики размышляют по поводу возможности существования бесконечного числа Вселенных, и в конечном итоге мы можем прийти к четким моделям, способным объяснить, почему значения (вроде фундаментальных свойств наблюдаемых нами частиц) могут отличаться друг от друга в каждой отдельно взятой Вселенной», — говорит Войт.
Войт опасается, что однажды основным вопросом для науки в этой сфере станет рассуждение на тему «как нам повезло оказаться в этой случайной Вселенной, где все происходит так, а не по-другому, несмотря на бесконечное многообразие возможностей, поэтому давайте бросим эту затею с теориями».
Какой можно подвести итог? Многие физики получают деньги за то, что спорят и пишут книги, в которых стараются описать, как Большой взрыв и модель «предвзрывной» Вселенной способны объяснить то, что мы видим сегодня, хотя сами при этом не знают и на самом деле не могут знать, почему это так. Факт в том, что даже несмотря на серьезные упрощения как в математических моделях, так и объяснениях, мы не приблизились к верному ответу, и нам предстоит провести еще множество рассуждений на эту тему, пока не придем к нужному результату.
«Важно не только выдвигать теории и гипотезы. Куда важнее дать понять людям, что на самом деле мы пока сами не понимаем, о чем говорим. Все это пока лишь на уровне предположений, но я надеюсь, что рано или поздно мы сможем найти нужный ответ, который устроит всех», — говорит Кэрролл.
Было ли у Вселенной начало?
Мы не так часто об этом задумываемся и все же, было ли у Вселенной начало? Согласно ведущей космологической теории, наша Вселенная родилась в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением. Но не все исследователи полагают, что в действительности дело было именно так. Профессор Ливерпульского университета в Великобритании, физик Бруно Бенто считает, что никакого начала Вселенной не было. Возможно, то, что мы называем Вселенной, существовало всегда – и новая теория квантовой гравитации, кажется, может объяснить почему. В ходе работы Бенто и его коллеги использовали новую теорию под названием теория причинных множеств, согласно которой пространство и время разбиты на дискретные фрагменты. На каком-то уровне, как отмечают исследователи, существует фундаментальная единица пространства-времени. Используя новый подход, основанный на причинно-следственных связях, физики обнаружили, что у Вселенной, вполне возможно, не было начала: она существовала всегда, в бесконечном прошлом и лишь недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом.
Квантовая гравитация, пожалуй, самая неприятная проблема, с которой сталкивается современная физика. У нас есть две чрезвычайно эффективные теории Вселенной: квантовая физика и общая теория относительности.
Главная сила природы
Гравитация, как известно, является генеральным директором космоса, повелителем Вселенной, если хотите. Именно эта сила позволяет звездам и планетам вращаться по орбите, а черным дырам поглощать любые объекты, что оказались поблизости. Благодаря гравитации яблоко упало на голову Исаака Ньютона, а мы с вами не улетаем в небо, стоит нам оторваться от земли.
Будучи фундаментальной силой Вселенной гравитация – в нашем, человеческом понимании – объясняет как движутся небесные тела, а также является главенствующей силой на Земле. Однако, если Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) прекрасно справляется с описанием мира, видимого невооруженным глазом, она, увы, не в полной мере описывает законы, по которым существует таинственный и невидимый мир атомов и частиц. Этот удивительный мир описывает квантовая механика.
Квантовая механика описывает то, как взаимодействуют друг с другом элементарные частицы.
Но так как мы не видим взаимодействия элементарных частиц, нам кажется странным, что квантовый мир так сильно отличается от знакомых объектов (хотя объекты эти целиком и полностью состоят из этих самых частиц).
Так что когда мы смотрим за пределы Земли, на Вселенную, которая намного шире, и начинаем рассматривать большие явления, отложить квантовую физику в сторону не получится.
Квантовая физика подарила миру успешное описание трех из четырех фундаментальных сил природы (электромагнетизма, слабого взаимодействия и сильного взаимодействия) вплоть до микроскопических масштабов. А Общая теория относительности является самым мощным и полным описанием гравитации, когда-либо разработанным.
Наш мир намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить. Но шанс разгадать фундаментальные тайны Вселенной у нас есть.
Но вернемся к гравитации. Она, как мы уже говорили выше, не вписывается в квантовый мир. И даже в работе Эйнштейна уравнения поля для гравитации не проквантованы. Хотя большинство физиков убеждены, что должен быть какой-то способ объединения гравитации с тремя фундаментальными силами, квантовыми по своей сущности, он по-прежнему представляется трудным для понимания.
Альберт Эйнштейн потратил большую часть последних 30 лет своей жизни на поиск способа сближения гравитации с другими силами, но ему это не удалось.
Таким образом, квантовая гравитация – это общий термин для теорий, которые пытаются объединить гравитацию с другими фундаментальными силами физики (которые уже объединены вместе). Обычно она предполагает существование теоретической виртуальной частицы – гравитона, который опосредует гравитационную силу.
Интересно, что именно наличие гравитона отличает квантовую гравитацию от некоторых других объединенных теорий поля. И все же вынуждены отметить, что ряд существующих теорий наличия гравитона не требуют.
Теория квантовой гравитации
Ожидается, что гравитон не будет обладать массой (так как действует мгновенно на больших расстояниях), однако, основная проблема экспериментальной проверки любой теории квантовой гравитации заключается в том, что уровни энергии, необходимые для наблюдения гипотез, недостижимы в современных лабораторных экспериментах.
Ткань пространства-времени искривляется массой Солнца
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал на платформе Пульс от Mail.ru! Так вы точно не пропустите ничего интересного!
Предположения квантовой гравитации, как правило, заключаются в том, что такая теория окажется одновременно простой и элегантной. По крайней мере в двух конкретных местах во Вселенной, где математика общей теории относительности просто ломается и невозможно получить надежных результатов: в центрах черных дыр и в начале Вселенной.
Эти области называются «сингулярностями» – точками в пространстве-времени, где рушатся знакомые нам законы физики. По сути, сингулярность – это математическое предупреждение о том, что ОТО Эйнштейна спотыкается о саму себя. В обеих этих сингулярностях гравитация становится невероятно сильной в очень малых масштабах.
Но как разгадать тайну сингулярности? Для начала, физикам нужна теория квантовой гравитации. На самом деле на ее роль существует множество претендентов, включая теорию струн и теорию петлевой квантовой гравитации, подробнее о которой мы рассказывали здесь. Но есть еще один подход, который полностью переписывает наше понимание пространства и времени.
Теория причинных множеств
Во всех современных теориях пространство и время непрерывны. Они образуют гладкую ткань, которая лежит в основе всей реальности. В таком непрерывном пространстве-времени две точки могут находиться как можно ближе друг к другу в пространстве, и два события могут произойти как можно ближе друг к другу во времени.
Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных фрагментов, или «атомов» пространства-времени. Эта теория установила бы строгие ограничения на то, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер «атома».
Новая теория, возможно, сможет объединить ОТО и квантовую механику.
Например, когда вы смотрите на экран, читая эту статью, все кажется гладким и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на этот экран через увеличительное стекло, то увидели бы пиксели, которые разделяют пространство и обнаружили бы, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем на один пиксель. Эта теория взволновала физика Бруно Бенто из Ливерпульского университета.
Я был взволнован, обнаружив эту теорию, которая не только пытается быть как можно более фундаментальной – являясь подходом к квантовой гравитации и фактически переосмысливая само понятие пространства-времени, но также отводит центральную роль времени и его течению, – рассказал физик в интервью Live Science.
«Огромная часть философии причинно-следственных связей заключается в том, что течение времени является чем-то физическим, что его не следует приписывать какой-то возникающей иллюзии или чему-то, что происходит внутри нашего мозга, что заставляет нас думать, что время течет; это прохождение само по себе является проявлением физической теории», – пишут авторы научной работы.
Теория причинных множеств имеет важные последствия для природы времени.
Итак, в теории причинных множеств причинный набор будет расти по одному «атому» за раз и становиться все больше и больше». Подход с причинно-следственными связями аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что в теории сингулярности не могут существовать. Материя не может сжаться до бесконечно малых точек – они могут стать не меньше размера атома пространства-времени.
Человеческому глазу не подвластен микромир. Е счастью, у нас есть инструменты, позволяющие увидеть атомы и электроны.
Но как в таком случае выглядит начало нашей Вселенной? Как полагает Ленту и его коллега Став Залель, аспирант Лондонского Имперского колледжа, теория причинных множеств может об этом многое рассказать. Их работа пока что не прошла экспертную оценку и опубликована на сервере препринтов arXiv.
В ней физики рассмотрели вопрос о том, «должно ли существовать начало Вселенной в подходе с причинно-следственными связями». В первоначальной формулировке причинный набор вырастает из ничего во Вселенную, которую мы видим сегодня. В новой работе Большого взрыва в качестве начала Вселенной не было, поскольку причинно-следственная связь была бы бесконечной в прошлом. Это означает, что в прошлом всегда было что-то еще.
Согласитесь, весьма захватывающее исследование. В конце концов, больше ста лет физики не могут объединить квантовый мир и мир, который мы видим перед собой. Но даже если работа пройдет экспертную оценку и будет опубликована в научном журнале, у ученых впереди очень много работы.
Ведь мы по-прежнему не знаем, может ли этот беспричинный причинно-следственный подход позволить использовать физические теории для описания сложной эволюции Вселенной во время Большого взрыва.
Возможно когда-нибудь мы разгадаем величайшие тайны Вселенной
Таким образом, вопрос о том, можно ли новый подход интерпретировать «разумным» образом остается открытым. Однако исследователям удалось показать, что подобная структура действительно возможна. По крайней мере математически. Так что в ближайшее время мы и правда может узнать, было ли у Вселенной начало или же она существовала всегда. Будем ждать.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
«Самая непостижимая вещь во вселенной — это то, что она понятна», однажды сказал Альберт Эйнштейн. В наши дни, однако, Вселенную трудно назвать понятной или …
Физики, которые блуждали по «ландшафту» теории струн — пространства из миллиардов и миллиардов математических решений теории, в которой каждое решение предос…
Прошлой осенью малоизвестная звезда KIC 8462852 приковала внимание всего научного сообщества и мировой общественности после того, как астрономы объявили о то…
Предыстория Вселенной: Что было до Большого взрыва
«По сути, — говорит автор исследования, профессор Мартин Божовальд (Martin Bojowald), — я предлагаю новую математическую модель, которая вводит концепцию квантовых состояний, как существовавших до Большого взрыва и изменявшихся в ходе него — вместо принятой сегодня версии о том, что они появились вместе с нашей Вселенной лишь в процессе этого взрыва».
Божовальд показал, что хотя многие из свойств ранней Вселенной можно просчитать, некоторые из них принципиально не поддаются исследованию из-за «космической забывчивости», неопределенности квантовых сил, действовавших при Большом взрыве.
Как следует из эйнштейновской Общей Теории Относительности (ОТО), источником Большого взрыва послужило довольно «абсурдное» состояние мироздания — сингулярность, область с нулевым объемом, бесконечно высокой плотностью и энергией. Используя математическую «машину времени», Теорию петлевой квантовой гравитации (ТПКГ), Божовальд с коллегами двинулись еще дальше, в предысторию Большого взрыва.
Известно, что уравнения ОТО не применимы к ранней Вселенной с ее экстремальными энергиями. Однако объединение ее с квантовой механикой — цель множества современных теоретических исследований — расширит области применения обоих подходов. Один из самых перспективных путей сделать это — использовать аппарат ТПКГ.
Согласно ТПКГ, ткань пространства-времени дискретна и «соткана» из одномерных квантовых «нитей», и лишь на больших масштабах Вселенная выглядит непрерывной и гладкой. Одно из следствий этого состоит в том, что изначальная сингулярность, из которой в ходе Большого взрыва и дальнейшей эволюции «разворачивались» измерения нашей Вселенной, обладала крайне малыми — но не нулевыми! — размерами, и крайне высокой — но не бесконечной! — энергией. Принимая это положение, сторонники ТПКГ смогли получить непротиворечивые расчетные данные, относящиеся к периоду до Большого взрыва.
В экстремальных (мягко говоря) условиях, при которых появилась Вселенная, одномерные нити «рвались» — этот процесс сторонники теории ПКГ называют «Большим отскоком», чтобы подчеркнуть, что он представлял собой скорее быстрое расширение прежде сжатой Вселенной, нежели появление новой из «ничего», из сингулярности.
Для того, чтобы получить данные о Вселенной, которая была до нашей, Божовальду пришлось разработать собственный подход к ТПКГ. Ему удалось сделать ряд успешных аппроксимаций и переформулировать некоторые квантово-гравитационные математические модели, максимально упростив уравнения ТПКГ, чтобы получить их аналитические решения. Полученные им уравнения требуют знания ряда параметров о текущем состоянии нашей собственной Вселенной, чтобы исходя из них отправиться в математическое путешествие назад во времени.
В них также входят комплементарные параметры, которые характеризуют квантовую неопределенность в рамках всей Вселенной до и после «Большого хлопка». Появление их неизбежно при расчетах квантовых состояний. Как в квантовой физике постулируется невозможность одновременного получения точных данных о положении и импульсе частицы, так и в модели Божовальда такой «неопределенной парой» являются объемы Вселенной до и после «Большого отскока».
Кроме того, показано, что по крайней мере один из расчетных параметров предыдущей Вселенной не пережил «Большого отскока», информация о нем принципиально отсутствует в нашей Вселенной. Эта «космическая забывчивость», по мнению Божовальда, приводит к тому, что в ходе бесконечных циклов расширения, сжатия, хлопка и нового расширения следующих одна за другой Вселенных образуются мироздания не идентичные, а отличающиеся друг от друга.
О других теориях, альтернативных Большому взрыву, читайте в статье «Забытый соперник Большого взрыва».