Рождение Вселенной: что скрывает в себе тайна Большого взрыва

Фото: space.com

Люди сотни лет задавались вопросом, каким образом все началось? То есть как именно появилась Вселенная? За последние 100 лет ученые нашли ответ: она появилась в результате Большого взрыва. Эта теория описывает катастрофический взрыв, который произошел 13,8 млрд лет назад. За крошечную долю секунды наблюдаемая Вселенная увеличилась с размера примерно бактерии до размеров Млечного Пути. Ранняя Вселенная была необычайно горячей и чрезвычайно плотной. Но откуда ученые знают, что это произошло именно так? Об этом пишет Phys.

Как началась Вселенная?

Возникшая в начале ХХ века теория о том, что все началось с Большого взрыва не нашла массового признания. Но затем появились доказательства того, что космос расширяется и что Вселенная существует примерно 13,8 млрд лет.

В 1964 году, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили особый тип излучения, который заполняет весь космос — реликтовое излучение. Это своего рода остаточный свет Большого взрыва, возникший, когда космосу было 380 000 лет. Именно реликтовое излучение помогло выяснить, что в начале Вселенная была очень горячей и очень плотной.

Сейчас физики уже знают, что в самые первые моменты после Большого взрыва четыре фундаментальные силы природы, которые существуют сегодня, изначально были объединены в одну силу. Речь идет о гравитации, электромагнетизме, а также о сильном слабом взаимодействии.

По мере расширения Вселенной и снижения ее температуры произошли изменения, известные как фазовые переходы, когда одна фундаментальная сила была разделена на четыре. Через несколько миллиардных долей секунды после Большого взрыва, как показывают эксперименты на ускорителях частиц, произошло разделение электромагнитного и слабого взаимодействия. Именно тогда вся материя во Вселенной приобрела свою массу.

Самая ранняя Вселенная была заполнена странной субстанцией — кварк-глюонной плазмой. То есть она состояла из кварков и глюонов. Это субатомные частицы, которые отвечают за сильное взаимодействие. Кварки и глюоны сильно притягиваются друг к другу и сегодня связаны вместе как протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, являются строительными блоками атомов. Но в горячей и плотной ранней Вселенной они существовали отдельно.

Кварк-глюонная плазма просуществовала недолго. Всего через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва, кварки и глюоны объединились в протоны протоны и нейтроны, и в таком видео они существуют и сейчас.

По мере большего охлаждения и расширения Вселенной возник нуклеосинтез Большого взрыва. Тогда из плотной метрии, состоящей и протонов, и нейтронов, возникли первые ядра атомов в результате термоядерного синтеза.

У ученых нет прямых доказательств того, что было до распада электромагнитного и слабого взаимодействия и это остается тайной Большого взрыва.

Сингулярность Большого взрыва

Считается, что в самом начале истории космоса существовала точка с бесконечной плотностью материи и бесконечной плотностью энергии — сингулярность.

Согласно общей теории относительности искривление пространства-времени порождает гравитацию. Но расчеты ученых показали, что во Вселенной есть места, где кривизна пространства-времени становится неограниченной. Такие сингулярности находятся в центрах черных дыр. Именно там невозможно применить уравнения общей теории относительности.

С 1965 по 1966 год британские физики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз представили теории, которые показывают, что пространство-время расширяющейся Вселенной должно начинаться в сингулярности в прошлом, то есть в сингулярности Большого взрыва.

Пространство и время появляются в сингулярности Большого взрыва, поэтому точно непонятно, что происходило до Большого взрыва. Хотя с другой стороны, считается, что никакого "до" не существует и Большой взрыв является началом отсчета времени.

Квантовая физика и Большой взрыв

Общая теория относительности не может описать всю Вселенную, поэтому ее субатомный уровень описывает квантовая теория. В отличие от классической физики, определенные начальные условия имеют определенный результат, в квантовой физике существуют вероятности. Это означает, что определенные начальные условия во Вселенной могут иметь несколько результатов.

В подавляющем большинстве случаев гравитация хорошо описывается классической физикой. Классическое пространство-время гладкое. Но, когда кривизна становится экстремальной, вблизи сингулярности, то квантовую природу гравитации нельзя игнорировать. Здесь пространство-время больше не гладкое, а узловатое. Таким образом, вблизи сингулярности Большого взрыва структура пространства-времени перестает быть гладкой. Математические расчеты предполагают, что пространство-время становится переполненным петлями и пузырями. Это называется пространственно-временной пеной.

В пространственно-временной пене причинность не применяется, потому что в пространстве-времени существуют замкнутые петли, где будущее события также является его прошлым. Поэтому его результат также может быть его причиной. Вероятностная природа квантовой теории предполагает, что когда вероятности равномерно распределены, все результаты одинаково возможны, и удобное понятие причинности теряется.

Поэтому в сингулярности Большого взрыва квантовые эффекты гравитации являются доминирующими, а причинность не применяется. Время перестает быть линейным, переходя от прошлого к будущему, и вместо этого становится свернутым, хаотичным и случайным. Это означает, что вопрос "почему произошел Большой взрыв?" не имеет смысла, потому что вне причинности событиям не нужна причина, чтобы произойти.

Чтобы понять, как работает физика в сингулярности, такой как Большой взрыв, нужна теория того, как гравитация ведет себя в соответствии с квантовой теорией. К сожалению, ее нет.

Космическая инфляция

Так как же классическая Вселенная вырвалась из пространственно-временной пены? Это произошло благодаря космической инфляции, то есть периода ускоренного расширения в ранней Вселенной.

Согласно наблюдениям, инфляция сделала Вселенную большой и однородной. Более того, инфляция обеспечила естественный механизм для создания первичных нерегулярностей в плотности Вселенной, которые необходимы для формирования галактик и скоплений галактик.

Как выяснили физики, если условия для инфляции возникают случайно в участке колеблющегося пространства-времени, как это может произойти с пространственно-временной пеной, то эта область раздувается и начинает соответствовать классической физике. Инфляция является естественным следствием хаотических начальных условий в ранней Вселенной.

Наблюдения астрономов за реликтовым излучением предполагают, что начальный импульс инфляции является взрывным, поскольку расширение является экспоненциальным во время инфляции. То есть это механизм движения, который можно назвать Большим взрывом.

Этот взрыв на самом деле является периодом взрывного расширения, который физики называют космической инфляцией. Но что происходило до инфляции? Является ли это пространственно-временной сингулярностью, является ли это пространственно-временной пеной? Ответ в значительной степени неизвестен.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform