Что было до Большого Взрыва?

На модерации Отложенный На вопрос о том, что же было до Большого Взрыва, ученые пытаются найти ответ последние несколько десятков лет, равно как и понять, а как, собственно появился тот мир, который мы считаем столь обычным. И все же, с чего все началось? Веками ученые и богослужители пытались найти ответ на этот вопрос. Согласно церковным теориям происхождения мира, Вселенная было сотворена божественным путем в относительно недавнем прошлом. В частности, Епископ Ашшер в семнадцатом веке установил дату создания Вселенной в 4004 году до н.э., суммируя возраст всех людей из Ветхого Завета. Интересно, что эта дата приблизительно соответствует окончанию последнего ледникового периода, после которого начала зарождаться цивилизация.

Но были и люди, которые подобно Аристотелю, верили, что Вселенная не имеет ни начала, ни конца и будет существовать вечно. До начала двадцатого века так думали и большинство ученых. Если человеческая цивилизация, подобно Вселенной, существует столь долго, то сможет ли она развиваться бесконечно или вслед за расцветом последует деградация? Аристотель и некоторые другие выдающиеся мыслители считали, что периодически случались природные катаклизмы, которые неизбежно отбрасывали человечество на начальные этапы становления цивилизации.

Но и ученые, и богословы сходились во мнении, что Вселенная статична и неизменна. То есть ни тысячелетия до, ни десятки тысяч лет спустя, картина звездного неба не изменится.

Взгляды на мир кардинальным образом поменялись лишь в 1929 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной. Этот факт совершенно противоречил идеям статичности Вселенной. Галактики удалялись друг от друга со скоростью тем большей, чем большим было расстояние между ними. Исходя из скоростей разбегания галактик, Хаббл рассчитал, что началось расширение около 20 миллиардов лет назад (сегодня считается, что Вселенная образовалась 13-15 млрд. лет назад).

Поскольку Вселенная не была уже неизменной, она должна была каким-то образом возникнуть. Естественно, вскоре стали появляться теории ее появления. Они основывались на том, что если бы мы повернули время вспять, то галактики стали бы сжиматься, а температура Вселенной повышаться, пока она не сжалась бы в сингулярность.

Физики стали разрабатывать математическое основание процессов возникновения Вселенной из точки. Так, в 1930 году Хаббл предложил теорию, впоследствии названную теорией Большого Взрыва. Она основывалась на том, что Вселенная возникла в результате взрыва из сингулярности. В результате расширения и остывания первичного горячего газа появились звезды и галактики.

Это теория хорошо согласовалась с астрономическими наблюдениями. Во-первых, галактики разбегались так, как предсказывала теория. Во-вторых, в 1964 году было обнаружено пронизывающее всю Вселенную реликтовое микроволновое излучение, которое должно было остаться после охлаждения первичного газа. И, в-третьих, в результате Большого Взрыва должно было появиться огромное количество водорода, дейтерия, гелия и лития, которое мы можем наблюдать сегодня. Не удивительно, что теория Большого Взрыва стала считаться классической теорией формирования Вселенной.

Однако все же были некоторые моменты, которые теория Большого Взрыва объяснить не могла.

Где именно находится та самая точка, из которой появилась наша Вселенная?

Как именно из сингулярности могло появиться столь огромное количество материи и энергии?

Если бы после взрыва просто расширялся и остывал газ, из которого и сформировались звезды и галактики, то Вселенная должна была бы быть однородной. Но в реальности галактики формируют скопления - галактические кластеры, которые в свою очередь входят в еще более глобальные структуры. Даже анализ реликтового излучения показал, что еще на стадии, когда во Вселенной не было ни звезд, ни галактик, неоднородности первичного газа уже существовали.

И, наконец, все законы физики, которыми мы описываем окружающий нас мир, просто не работают при попытке описать поведение материи и энергии в первичной сингулярности. Поэтому мы можем описывать лишь то, что произошло уже после Большого Взрыва, а не сам Большой Взрыв или особенно то, что было до него.

Конечно, кто-то может возразить, что поскольку пространство и время зародились в момент Большого Взрыва, то говорить о периоде ДО Большого Взрыва бессмысленно, ведь ДО просто ничего не было. Однако такое заявление не совсем логично, ведь должно же было быть ЧТО-ТО, что вызвало сам Большой Взрыв. Соответственно, было разработано несколько теорий, пытающихся объяснить загадку появления Вселенной.

В 1960 году физик Джон Уиллер (John Wheeler) разработал теорию «пульсирующей Вселенной». Согласно ей, расширение Вселенной сменится сжатием в сингулярность, после чего произойдет взрыв, и Вселенная вновь станет расширяться… и так до бесконечности.

Другая теория предполагает наличие протовселенной. То есть еще до момента Большого Взрыва из ничего должна была появиться материя. Теория протовселенной связана с белыми дырами – теоретическими объектами, являющимися антиподами черных дыр. Из белых дыр материя, в противоположность черным, должна истекать в неограниченном количестве со скоростью света, вообще говоря, из ниоткуда. Эта теория могла бы объяснить неоднородность Вселенной, однако проблема в том, что до сих пор ни одной белой дыры обнаружено не было.

Инфляционная теория была разработана в 1981 году физиком частиц Аланом Гусом (Alan Guth). В этой теории объясняется, каким образом элементарные частицы «получили» массу на основании скалярного поля материи. Объединив выражения для скалярного поля с уравнениями Эйнштейна, описывающими расширение Вселенной, Гус разработал теорию, согласно которой материя возникла из ничего, а затем началось ее экспоненциальное  расширение согласно теории Большого Взрыва.

Существуют также «пузырьковая» теория и теория самосоздания Вселенной. Согласно первой наша Вселенная сформировалась из квантовой пены «родительской Вселенной». На квантовом уровне эта пена «пенится» из-за флуктуаций энергии. Благодаря им создаются крошечные пузырьки и «червоточины». Если флуктуации не очень большие, то образованные «пузырьки Вселенных» расширяются подобно надуваемым шарикам, затем сжимаются и исчезают. Но если флуктуации велики, то эти «пузырьки» не «лопаются», а «раздуваются» в самостоятельные Вселенные. Идея же теории самосоздания состоит в том, что каждый «пузырек» квантовой пены, или инфляционная (расширяющаяся) Вселенная, порождает другие «пузырьки», которые, в свою очередь, порождают другие и т.д.

Однако недостатком инфляционных теорий является то, что и они не могут дать объяснение тому, что происходило до «раздувания» Вселенной. Для решения этой проблемы Джеймс Хартл (James Hartle) и Стивен Хокинг (Stephen Hawking) в 1983 году предложили свою теорию.

Она основывается на идее, что Вселенная не имеет никаких границ. Точно также как, гуляя по сферической поверхности Земли (представим ее гладким шаром), мы можем сколь угодно долго идти в любом направлении и не достигнем никаких границ.

Модель Хокинга и Хартла опирается на квантовую теорию, объединяющую общую теорию относительности и квантовую механику. Квантовая теория определяет волновую функцию, которая описывает все возможные квантовые состояния частицы (например, электрона). Значение волновой функции указывает на вероятность нахождения частицы в данном состоянии, то есть чем больше функция, тем выше вероятность.  В теории Хокинга и Хартла Вселенная рассматривается подобно частице и вводится своеобразная волновая функция, которая описывает все возможные Вселенные. Для нашей Вселенной значение этой волновой функции велико и близко к нулю для остальных возможных параллельных Вселенных. Эти Вселенные должны иметь набор других физических констант, не совместимых с зарождением жизни.

Мы существует в этой Вселенной, потому что она наиболее вероятна, то есть ей соответствует наибольшее значение волновой функции.

Недостаток этой теории состоит в том, что согласно ей, Вселенная «закрыта». То есть она должна иметь поверхность, подобную оболочке воздушного шара. Галактики, расположенные на этой оболочке, должны двигаться в процессе «раздутия» в строго определенном направлении. Более того, под действием сил гравитации наблюдаемое расширение вскоре должно смениться сжатием.

Однако астрономические исследования  показывают, что наблюдаемой массы недостаточно для остановки расширения Вселенной и ее сжатия. А сама Вселенная расширяется со все увеличивающейся скоростью, большей, чем предсказывает теория. То есть, скорее всего, мы живем в «открытой» Вселенной, которая никогда не остановит расширение. Одно из графических представлений открытой Вселенной напоминает седло, которое изгибается вниз и вверх одновременно.

Треугольник принадлежит открытой Вселенной. Из-за искривления пространства, сумма его внутренних углов меньше 180 градусов.

В 1995 году физик Нейл Турок (Neil Turok) в сотрудничестве с Мартином Бучером (Martin Bucher) и Альфредом Голдхабером (Alfred Goldhaber) создали модель открытой инфляционной Вселенной. Турок так объясняет свою теорию:

«Процесс формирования Вселенной напоминает образование пузырька в кипящей воде. Внутренняя часть этого пузырька представляет собой бесконечную открытую Вселенную. Представьте себе, что этот пузырек расширяется со скоростью света, увеличиваясь за очень короткий промежуток времени до огромных размеров. А теперь заглянем внутрь него. Особенностью пузырька является то, что в нем пространство и время «спутаны». В некотором смысле, он в каждый момент времени содержит не только настоящее Вселенной, но и ее будущее. И, поскольку,  в бесконечно далеком будущем, сам пузырек, а значит и Вселенная, будут бесконечно большими, то и сегодняшняя Вселенная представляется безграничной. Таким образом, бесконечная Вселенная умещается в крошечном объеме.»

И хотя, теория Турока также не в состоянии объяснить, что же было до большого взрыва, она стала столь известна, что была замечена Стивеном Хокингом. Он усмотрел сходство этой теорией со своей и связался с астрофизиком. На основе их совместной работы появилась новая объединенная теория Хокинга-Турока.

Согласно этой теории мы живем в открытой инфляционной Вселенной, образованной из крохотной частицы, называемой инстантон (instanton), который впоследствии часто стали называть «горошиной». Инстантон относится к классу теоретических частиц, «придуманных» физиками. Название инстантон частица получила исходя из предположения, что она существовала всего мгновение (англ. instant). Обладая очень малыми размерами, это частица, тем не менее, обладает исключительно высокой плотностью.

Чтобы понять теорию Хокинга, представим пространство-время как конус, обращенный вершиной вниз. Время в нем течет снизу вверх, а пространство «растекается» в горизонтальной плоскости. Пространство и время встречаются в одной точке – сингулярности в вершине конуса, где законы физики перестают действовать. А теперь заменим сингулярность имеющим конечные размеры инстантоном.

Графическое представление пространства-времени

Поскольку в таком случае дно конуса уже не точка и имеет конечные размеры в горизонтальной оси, то различие между пространством и временем уменьшается. Время приобретает свойства пространства и следует в том же направлении, что и пространство. Особенностью данной теории является факт, что физические законы действуют вплоть до самого момента образования Вселенной.

Турок так описывает эту модель: «Представьте себе инфляционное расширение Вселенной в виде взрыва динамита. Инстантон – это будто самовозгорающийся фитиль. Инстантон по определению содержит материю, гравитацию, пространство и время. В то же время он непременно превратится в расширяющуюся бесконечную Вселенную.»
По сути, Хокинг и Турок предполагают возникновение нашего мира из ничего, физики считают, что инстантон существовал, окруженный ничто, соответственно, до него также ничего не существовало.

Однако и эта теория не удовлетворила научную общественность, и совсем недавно в 2006 году, была разработана новая теория, оперирующая понятием петлевой квантовой гравитации. Согласно этой теории пространство в сверхмалых масштабах уже не представляется «гладким», а образует очень сложные «петлевые» структуры.

Если следовать новой теории, то получится, что пространство сжать в сингулярность невозможно, то есть, достигнув определенного размера, Вселенная вновь начнет расширяться. Это значит, что до нашей Вселенной существовала иная, а до нее еще одна и т.д. Где-то это мы уже слышали, не правда ли? Однако постулаты новой теории несколько отличаются от положений теории пульсирующей Вселенной. В частности, расчеты показали, что как минимум один из параметров предыдущей Вселенной не пережил момента смены сжатия на расширение. А это значит, что в ходе бесконечных циклов сжатия и расширения появляются неидентичные миры.И все-таки, что же было ДО той самой первой Вселенной? И было ли? Думается, с ответом придется повременить еще пару столетий.