И все-таки Большой Взрыв не был Началом

Итэн Зигель, The Big Bang Wasn't The Beginning, After All

Forbes, 21 сентября 2017 года

с любезного разрешения автора

Вселенная, которая так, как наша сейчас, расширяется и охлаждается, должна была быть значительно горячее и плотнее в прошлом. Изначально к Большому Взрыву относились как сингулярности, из которой появилось такое исключительно горячее и плотное состояние. Но сегодня мы знаем лучше. 

NASA/GSFC

Вселенная началась не с хныканья - она началась со взрыва! По крайней мере, все так говорят - Вселенная началась с момента Большого Взрыва. Пространство, время и вся материя и энергия начались из одной точки, а затем расширялись и охлаждались, давая миллиарды лет жизнь атомам, звездам, галактикам и скоплениям галактик, разлетевшимся на миллиарды световых лет, что составляет сейчас наблюдаемую нами Вселенную. Эта непреодолимо красивая картинка, которая объясняет так много из того, что мы видим, от крупномасштабной структуры Вселенной в два триллиона галактик до остаточного свечения - излучения, пронизывающего все сущее. К сожалению, это не так, и об этом ученые знают уже по крайней мере 40 лет.

Как было впервые отмечено Весто Слифером, в среднем, чем дальше галактика от нас находится, тем быстрее она от нас удаляется. Годами это требовало объяснения пока наблюдения Эдвина Хаббла не позволили нам сложить все кусочки вместе: Вселенная расширяется.

Vesto Slipher (1917): Proc. AMER. PHIL.SOC.,56,403

Идея Большого Взрыва впервые возникла в 1920-1930е. Если посмотреть на далекие галактики, можно заметить нечто необычное - чем они дальше от нас, тем быстрее они удаляются. Согласно предсказаниям Общей Теории Относительности Эйнштейна, статическая Вселенная будет гравитационно нестабильна; все должно или удаляться друг от друга или, наоборот сливаться, если ткань пространства подчиняется его законам. Наблюдение этого видимого движения научило нас тому, что Вселенная расширяется, и, если разные ее части сейчас разлетаются, это значит, что когда-то давно они были значительно ближе друг к другу.

Если смотреть все дальше и дальше, можно видеть все более и более удаленные во времени от нас события. Чем в более раннюю точку мы приходим, тем более плотной и горячей оказывается там наша Вселенная.

NASA/STSCI/A.FELID

Расширяющаяся Вселенная не означает только то, что ее объекты разлетаются с течением времени, это еще также растягивание длины волны света со временем. Поскольку длина волны определяет энергию (чем она короче, тем больше энергия), это значит, что с возрастом Вселенная охлаждается, и в прошлом все было гораздо горячее. Экстраполируйте этот факт назад во времени, и вы придете к тому, что был момент времени, когда все было настолько горячим, что даже нейтральные атомы не могли формироваться. Если такая картина правильна, то мы должны были бы увидеть остаточное излучение по всем направлением, чья температура была бы всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Открытие Космического Микроволнового Излучения Фона в 1964 Арно Пензиасом и Бобом Уилсоном стало замечательным подтверждением Большого Взрыва.

Согласно оригинальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, плоскость Галактики показана скоплением астрофизических источников излучения (в центре), но выше и ниже все покрыто практически идеально однородным фоновым излучением.

NASA/WMAP SCIENCE TEAM

Поэтому весьма соблазнительно продолжить экстраполяцию во времени туда, где Вселенная была еще горячее, плотнее и компактнее. И если начать это делать, можно увидеть:

• время, когда было слишком горячо для образования атомных ядер, там, где излучение было настолько горячим, что разрушало любые протонно-нейтронные связи,
• время, когда спонтанно формировались пары частиц материи и антиматерии,
• время, когда разрушались в кварко-глюонную плазму отдельные протоны и нейтроны - это когда температура и плотность Вселенной были больше, чем в ядрах атомов,
• и, наконец, время, когда температура и плотность устремились в бесконечность - когда вся Вселенная находилась в одной точке - момент сингулярности.

Эта последняя точка, эта сингулярность, представляет собой момент, когда не работали физические законы - под ней понимается начало пространства и времени. Это - исключительная идея самого Большого Взрыва.

Если экстраполировать время назад, мы получим более горячее и плотное состояние. Но существовала ли кульминация этого процесса - сингулярность, когда не работали никакие физические законы?

NASA/CXS/M/WEISS

Конечно, все исключая эту исходную точку, было подтверждено и доказано! Мы создали в лаборатории кварк-глюонную плазму, мы создали пары частиц материи-антиматерии, мы проделали вычисления, которые показали, как должны были форироваться легкие элементы и в какой концентрации в эти ранние стадии жизни Вселенной, мы проделали измерения и определили, как они соответствуют предсказаниям теории Большого Взрыва. А пройдя еще дальше, мы измерили флуктуации космического фонового микроволнового излучения и увидели, как формировались и росли гравитационно связанные структуры - такие, как звезды и галактики. Везде, куда бы мы ни посмотрели, мы находили исключительное согласие между теорией и наблюдениями. Большой Взрыв выглядел победителем.

Флуктуации плотности космического фонового микроволнового излучения дают возможность увидеть зерна, вокруг которых потом стали формироваться и расти космические структуры - звезды, галактики, скопления галактик, волокна и крупномасштабные космические пустоты.

CHRIS BLAKE and SAM MOORFIELD

Исключая всего лишь некоторые аспекты. Три отдельных вещи, которые вы бы ожидали увидеть от Большого Взрыва, и которые не случились:

1. У Вселенной нет разных температур по разным направлениям - даже в областях протяжением в миллиарды световых лет на луче зрения, у частей которых не было возможности взаимодействовать или обмениваться информацией в противоположном направлении.
2. У Вселенной не оказалось измеримой, отличной от нуля кривизны, и даже несмотря на то, что Вселенная идеально пространственно плоская, необходим идеальный баланс между первичным расширением и плотностью материи и излучения.
3. У Вселенной нет никаких реликтов сверхвысоких энергий от ранних времен, даже несмотря на то, что в горячей Вселенной должны были существовать нужные для этого температуры.

Теоретики, которые занимаются этими задачами, начали думать об альтернативах Большого Взрыва, о чем-то, что могло бы создать такое горячее, плотное, расширяющееся и охлаждающееся состояние и в то же время избежать указанным проблем. В декабре 1979 Алан Гут (Alan Guth) наткнулся на возможное решение.

В инфляционной Вселенной существует энергия, присущая самому пространству, которая вызывает экспоненциальное расширение. Всегда есть отличная от нуля вероятность, что инфляция закончится (что отмечена красной буквой Хе) в любое время, давая жизнь горячему и плотному состоянию, в котором Вселенная наполнена материей и излучением. Но в областях, где инфляция не кончилась, пространство продолжает инфляционно расширяться.

E.SIEGEL/BEYOND THE GALAXY

Вместо сравнительно горячего, плотного состояния, Вселенная могла начаться из состояния, в котором не было ни материи, ни излучения, ни антиматерии, ни нейтрино, и вообще никаких частиц. Вся присутствующая во Вселенной энергия была связана с самой тканью пространства - в форме энергии вакуума, которая и заставила Вселенную расширяться экспоненциально. В этом космическом состоянии по-прежнему существовали бы квантовые флуктуации, а по мере расширения пространства эти флуктуации растягивались бы, создавая области с немного большей или немного меньшей плотностью энергии относительно средней. И, наконец, когда эта фаза Вселенной - период инфляции - подошла бы к концу, энергия сконвертировалась бы в материю и излучение, создав горячее, плотное состояние - синоним Большого Взрыва.

Квантовые флуктуации присущие пространству, при его растяжении во Вселенной во время космической инфляции, породили флуктуации плотности, отпечатавшиеся на космическом фоновом микроволновом излучении, а потом, в свою очередь, дали жизнь звездам, галактикам и другим крупномасштабным структурам Вселенной, о которых мы сейчас знаем.

Изображения от ESA/PLANCK и THE DOE/NASA/NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH

К этой идее можно было бы отнестись как к отличной, хотя и несколько спекулятивной, но есть путь ее проверить. Если бы мы смогли измерить флуктуации, оставшиеся от послесвечения Большого Взрыва и они бы показали определенную структуру в соответствие с предсказаниями теории инфляции, это было бы "дымящееся дуло" (прим.перев. - неопровержимая улика) в пользу этой теории. Более того, эти флуктуации должны были быть очень маленькими: достаточно малыми, чтобы Вселенная не смогла бы достичь температур, подходящих для создания реликтов высокой энергии, и значительно меньше, чем значения температуры и плотности, если бы время и пространство родились из сингулярности. В 1990х и 2000х, а затем в 2010х мы подробно измерили эти флуктуации и вот что мы обнаружили.

Флуктуации космического фонового микроволнового излучения по измерениям СОВЕ (в больших масштабах), WMAP (в средних маштабах) и Планка (в малых масштабах) показывают хорошую согласованность не только по комплекту флуктуаций, безразличных к маштабу измерений, но и настолько малы по величине, что, скорее всего, они не могли бы появиться из произвольно горячего и плотного состояния.

NASA/WMAP SCIENCE TEAM

Неизбежен вывод: без сомнений, произошел горячий Большой Взрыв, но его не стоит экстраполировать на всю длину в произвольно горячее и плотное состояние. Вместо этого, ранняя Вселенная прошла период времени, когда вся энергия, которая перейдет потом в материю и излучение, была привязана к самой ткани пространства. Этот период - космическая инфляция, подошел к концу и дал начало горячему Большому Взрыву, но никогда не создавал произвольно горячего, плотного состояния или сингулярности. Что было до инфляции - или была ли инфляция бесконечна в прошлом - по-прежнему открытый вопрос, однако одно можно утверждать совершенно точно: Большой Взрыв не являлся началом Вселенной!