Наверное, самым интересным и сложным вопросом за всю историю существования людей разумных можно считать вопрос «откуда это всё взялось?» Одни из самых древних мифов связаны с сотворением мира, людей и всего остального. В разных местах мифы эти были разными и рассказывались по-разному. И только с относительно недавнего времени в решении этого вопроса появились проблески – например, идея о том, что можно искать ответ на него, изучая Вселенную. Научные измерения понемногу начали решать загадки, ставившие в тупик философов, теологов и мыслителей всех мастей.
В XX веке появились сразу общая теория относительности (ОТО), квантовая физика и теория Большого взрыва, сопровождавшиеся замечательными успехами как в наблюдениях, так и в экспериментах. Эти платформы позволили нам создать теории, которые мы затем смогли проверить и подтвердить, отвергнув остальные. Однако некоторые особенности – в частности, определённые аспекты теории Большого взрыва – оставались нерешёнными, и нам пришлось идти дальше, исследуя эти проблемы всё глубже. В итоге мы пришли к неутешительному выводу, к которому привыкаем по сей день – в наблюдаемой части космоса уже нет никакой информации о самом начале Вселенной. И вот почему это так.
В 1920-х годах, сто лет назад, сразу два наблюдения навсегда изменили представление учёных о Вселенной. Группа астрономов под руководством Весто Мелвина Слайфера изучала спектральные линии различных звёзд и туманностей, особенности линий испускания и поглощения. Атомы всей Вселенной должны быть одинаковыми, и поэтому электронные переходы тоже не должны отличаться друг от друга, как и их спектры испускания и поглощения. Однако у некоторых из этих туманностей, в особенности спиральных и эллиптических, оказались чрезвычайно сильные красные смещения, соответствовавшие высоким скоростям убегания – их скорость была больше, чем у чего-либо ещё в нашей Галактике.
С 1923 года Эдвин Хаббл и Милтон Хьюмасон начали измерять параметры отдельных звёзд в этих туманностях, пытаясь определить расстояние до них. Оказалось, что они находятся далеко за пределами Млечного Пути – в большинстве случаев это были расстояния в миллионы световых лет. Скомбинировав расстояния и красные смещения, можно было получить неизбежный вывод, теоретически подтверждавшийся ОТО Эйнштейна: Вселенная расширялась. Чем дальше находилась галактика, тем быстрее она отдалялась от нас.
Если Вселенная сейчас расширяется, тогда получается, что:
- Плотность Вселенной постоянно уменьшается, поскольку фиксированное количество материи занимает всё больше и больше пространства.
- Вселенная охлаждается, поскольку свет внутри неё растягивается, увеличивая длины волн.
- Галактики, не связанные вместе гравитацией, со временем разлетаются.
Первоначальные наблюдения Хаббла от 1929 года, говорившие о расширении Вселенной, дополнились более детальными, но всё равно ещё не очень точными наблюдениями. Однако график из работы Хаббла определённо демонстрирует наличие отношения расстояния к скорости расширения, и содержит данные, которых у его предшественников не было. Современные эквиваленты этого графика заглядывают гораздо дальше. Видно, что пекулярные скорости — скорости объекта относительно некой покоящейся системы координат — есть даже на далёких расстояниях, однако важной тут является основная тенденция.
Эти примечательные факты позволяют нам экстраполировать то, что случится со Вселенной с неумолимым течением времени. Однако те же законы физики, что позволяют нам заглянуть в будущее, позволяют нам также узнать, что случилось в прошлом. Если сегодня Вселенная расширяется, охлаждается и становится менее плотной, значит в прошлом она была меньше, горячее и плотнее.
Идея Большого взрыва заключается в том, чтобы экстраполировать этот процесс как можно дальше в прошлое: к ещё более горячим, плотным и однородным состояниям. В результате были получены интересные предсказания:
- более далёкие галактики должны быть меньше по размеру и массе, их количество должно быть больше, и в них должны преобладать горячие голубые звёзды;
- чем дальше во времени мы заглядываем в прошлое Вселенной, тем меньше там должно быть тяжёлых элементов;
- у Вселенной должно было существовать время, когда она была слишком горячей для формирования нейтральных атомов (и с тех времён должно существовать остаточное излучение, на сегодня уже сильно охладившееся);
- в какой-то момент эволюции Вселенной атомные ядра должны были разбиваться излучением сверхвысоких энергий, и должны были существовать только изотопы водорода и гелия.
Все эти предсказания были подтверждены наблюдениями. Остаточное излучение, которое сначала называли «первобытным огненным шаром», теперь известно под названием реликтового излучения, и было открыто в середине 1960-х. Оно считается одним из главных доказательств правильности теории Большого взрыва.
Вы можете решить, что учёные в состоянии экстраполировать Большой взрыв сколько угодно далеко в прошлое, до тех пор, пока вся материя и энергия Вселенной не сконцентрируются в одной точке. Вселенная достигнет бесконечных показателей температуры и плотности, создав физическое состояние, известное как сингулярность. В таком состоянии известные нам законы физики уже перестают давать осмысленные предсказания и не могут считаться рабочими.
После тысячи лет поисков мы, наконец, добрались до происхождения Вселенной. Она началась с Большого взрыва, случившегося некоторое конечное время назад, и соответствующего образованию пространства и времени. Всё, что мы наблюдаем, стало последствием этого события. Впервые у нас появился научный ответ, из которого следует не только наличие у Вселенной начала, но и её точный возраст. Как сказал Жорж Леметр, первый человек, описавший физику расширяющейся Вселенной, это был «день, предшествующего которому не было».
Вот только у нас оставались ещё вопросы, возникающие из этой теории, и не находящие в ней ответа.
Почему у разных участков Вселенной, не связанных друг с другом причинностью, наблюдаются одинаковые температуры?
Почему скорость изначального расширения Вселенной (расширяющей её) и общее количество энергии (борющееся с расширением при помощи гравитации) оказались идеально сбалансированными на первых этапах, с точностью до 50-го знака после запятой?
И почему, если такие сверхвысокие температуры и плотности наблюдались в прошлом, в сегодняшней Вселенной не существует остатков всего этого?
В 1970-х годах лучшие физики и астрофизики бились над этими задачами, выдумывая им теоретические объяснения. Затем в конце 1979 года молодой теоретик Алан Харви Гут дал блестящую идею, изменившую историю этого вопроса.
Он выдвинул теорию космической инфляции, постулировав, что, возможно, идея Большого взрыва позволяет хорошо экстраполировать эволюцию Вселенной до определённой точки в прошлом, перед которой случился период инфляции, приведший в итоге к Большому взрыву. Вместо произвольно высоких температур, плотностей и энергий, теория космической инфляции говорит, что Вселенная не была заполнена материей и излучением. В ней содержалось большое количество энергии, присущей самой ткани пространства. Это заставило Вселенную экспоненциально расширяться с определённой скоростью, и вывело её в итоге к плоскому, пустому и однородному состоянию.
А уже в конце инфляции энергия, присущая самому пространству, и одинаковая везде и повсеместно, за исключением квантовых флуктуаций, превратилась в материю и энергию – и вот вам Большой взрыв.
Квантовые флуктуации, происходившие во время инфляции, растянулись по всей Вселенной, и по её окончании стали флуктуациями плотности материи. Со временем это привело к формированию крупномасштабной структуры Вселенной, а также к температурным флуктуациям, наблюдаемым сегодня в картине реликтового излучения.
Ход был отличный – он позволил убедительно объяснить наблюдаемые свойства Вселенной, которые не могла объяснить теория Большого взрыва. У причинно не связанных участков Вселенной одинаковая температура потому, что все они появились во время инфляции из одного участочка пространства. Скорость расширения и энергия были сбалансированы потому, что до Большого взрыва инфляция придавала Вселенной одинаковую скорость расширения и плотность энергии. А остатков высокой энергии не существует, поскольку Вселенная добралась до конечных температур только по окончании инфляции.
В свою очередь, инфляция давала некоторые новые предсказания, отличающиеся от теории Большого взрыва, не включавшей инфляцию. И мы могли проверить эти предсказания, подтвердив эту гипотезу или опровергнув. К 2020 году мы собрали множество данных, позволяющих это сделать.
Согласно этим предсказаниям, у Вселенной должен быть верхний, конечный предел температуры, которой она достигала во время горячего Большого взрыва. Квантовые флуктуации во время инфляции превратились в колебания плотности Вселенной, на 100% адиабатические (с постоянной энтропией). И эти флуктуации должны почти, но не идеально, не зависеть от масштаба. На более крупных масштабах их значения должны быть чуть больше, чем на мелких.
Флуктуации реликтового излучения зависят от первоначальных, порождённых инфляцией. В частности, плоскую часть графика на крупных масштабах (слева) нельзя объяснить ничем, кроме инфляции. Эта часть представляет зародыш, из которого появилась характерная картина максимумов и минимумов, сформировавшаяся в первые 380 000 лет существования Вселенной. И на малых масштабах, в правой части графика, уровень анизотропии лишь на несколько процентов меньше, чем в левой части – на крупных масштабах.
При помощи данных, полученных с таких спутников, как COBE, WMAP и Планк, мы проверили эти предположения, и оказалось, что инфляционная теория соответствует наблюдениям. Это значит, что Большой взрыв стал не началом всего, а только началом известной нам Вселенной. До Большого взрыва была космическая инфляция, которая в какой-то момент закончилась и породила горячий Большой взрыв, причём сегодня мы можем наблюдать следы этой инфляции.
Но только лишь следы крохотного промежутка этой самой инфляции – возможно, последние 10-32 секунды. Может быть, инфляция столько и длилась. Может быть, она шла гораздо дольше. Возможно, что инфляция длится вечно, а может быть, она была чем-то мимолётным, порождением какого-то другого процесса. Возможно, что Вселенная родилась из сингулярности, или появилась в результате циклического процесса, или существовала всегда. Но информации об этом в наблюдаемой Вселенной нет. Природа инфляции приводит к стиранию всего того, что существовало до неё.
Инфляция – это космическая «перезагрузка». Что бы там ни существовало до инфляции, всё это так быстро расширяется, что в итоге появляется только пустое однородное пространство с квантовыми флуктуациями. По окончании инфляции крохотный объём этого пространства – размером от человека до городского квартала – превращается в наблюдаемую Вселенную. Всё остальное, включая всю информацию, которая позволила бы нам воссоздать происходившее до этого момента, навсегда оказывается за пределами доступного.
Одним из примечательных достижений науки является то, что мы можем заглянуть в прошлое на миллиарды лет и понять, когда и как наша Вселенная стала такой, какой мы её видим. Но получение ответов на эти вопросы, как это часто бывает, породило лишь новые вопросы. И некоторые из этих новых загадок могут навсегда остаться неразгаданными. Если этой информации в нашей Вселенной нет, должна будет произойти какая-то серьёзная революция, чтобы мы узнали – откуда же всё это взялось.
Играй в нашу новую игру прямо в Telegram!
Комментарии (39)
YMA
27.01.2023 12:43+2Что бы там ни существовало до инфляции, всё это так быстро расширяется, что в итоге появляется только пустое однородное пространство с квантовыми флуктуациями. По окончании инфляции крохотный объём этого пространства – размером от человека до городского квартала – превращается в наблюдаемую Вселенную.
Проходит примерно 36 млрд. лет и в наблюдаемой Вселенной происходит Большой Разрыв, и в образовавшемся ничто...
...крохотный объём этого пространства – размером от человека до городского квартала – превращается в новую наблюдаемую Вселенную.
Оптимистичненько. :)
lazer1064
27.01.2023 13:04-6Так то, если считать БВ "началом всего", что на самом деле не так, мы можем прямо сейчас наблюдать объекты, которые существуют в нашей Вселенной еще до "начала всего"! - это темная энергия, возможно и темная материя, а также СМЧД. А разгадка проста - эти объекты, феномены - реликтовые, они явно существуют еще со времен до Большого Взрыва. Других объяснений существованию их так, как они есть, с их свойствами, просто нет.
И что характерно - все эти объекты мы не можем наблюдать напрямую, а можем наблюдать только их проявления, и все эти проявления происходят посредством гравитации! Интересный факт, правда? И на что нам намекает этот факт?
rBo3Db
29.01.2023 09:26Ээээ... мультивселенная? Наша вселенная существует в своем пространстве начало, которому дал большой взрыв, а вокруг нашей вселенной есть другие, которые могут взаимодействовать с нашей по средством гравитации?
Shkaff
27.01.2023 13:16+9И все же инфляция - это пока только гипотеза, не имеющая четкого теоретического обоснования и прямых однозначных наблюдательных эффектов.
akurilov
27.01.2023 15:41+1Ознакомьтесь с принятым определениями гипотезы и теории. Гипотеза должна предлагать проверки себя. Теория - это подтвердившаяся гипотеза, прошедшая собственные проверки. Инфляция - это уже теория
Shkaff
28.01.2023 12:55+1Ознакомьтесь с состоянием подтверждений инфляции. Его нет ни одного прямого, все подгонки параметров уравнений под наблюдения. Более того, и теоретический оснований тоже нет (загадочное магическое поле инфлатон, которое исчезло без следа, серьезно?!). Это гипотеза чистой воды.
akurilov
28.01.2023 13:40В статье выше написано, что она подтвердилась наблюдениями фона. Ну может быть я не прав
Shkaff
28.01.2023 15:10+2Я, собственно, потому и откомментил: наблюдения фона не указывают однозначно на инфляцию. Эти наблюдения можно объяснить другими способами. Более того, уравнения для инфляции включают разные параметры, которые нужно подстраивать, чтобы объяснить эти наблюдения (т.е. предсказательной силы по сути нет). Получается: чтобы объяснить наблюдения, вводится механизм инфляции с помощью дополнительного гипотетического поля с неизвестной физикой. Дополнительные предсказания инфляции пока не наблюдаются.
Tyusha
29.01.2023 00:24+2Если вульгарно, то доказательства сводятся к следующему: У вас есть более лучшие объяснения космологических проблем? Нет? Ну значит теория инфляция верна. Берите, что дают.
Tyusha
28.01.2023 09:41Жалко только, что, похоже, всё струны далеко улетели за границу наблюдаемой Вседенной. Было прикольно хоть одну пронаблюдать.
Shkaff
28.01.2023 12:57По идее, можно наблюдать гравитационные волны от столкновения струн, мы ищем такое в данных. Там есть еще прикольные теории про пузыри разных фаз вакуума, которые после инфляции должны были сталкиваться друг с другом и тоже производить гравитационные волны.
vip100
27.01.2023 14:07-4А как это все вписывается в расширение вселенной с ускорением ? Если взрыв, то должно быть чем дальше - тем медленнее. Т.е. этот большой взрыв получается может быть совсем не похож на взрыв в человеческом понимании. А если это так и мы имеем дело с объектом не имеющим прототипа в окружающем нас пространстве, то тут у людей уже может и фантазии не хватать представить как это могло выглядеть.
Yukr
27.01.2023 14:14Может быть, инфляция столько и длилась. Может быть, она шла гораздо дольше. Возможно, что инфляция длится вечно, а может быть, она была чем-то мимолётным, порождением какого-то другого процесса. Возможно, что Вселенная родилась из сингулярности, или появилась в результате циклического процесса, или существовала всегда. Но информации об этом в наблюдаемой Вселенной нет.
"есть ли жизнь на марсе, нет ли - науке это не известно!" ))))
а жаль,что нет хотя бы гипотезы, которая предлагает полный процесс возникновения Вселенной, без всяких там "... до сингулярности понятия пространства и времени не имеет смысла, и не думайте об этом" ...
ksbes
27.01.2023 14:26+5Всегда будет край непонимания. Это нормально. И чем он дальше — тем лучше. Но всеобщая теория всего объясняющая всё что есть и может быть — будет ложной и не будет иметь реальной предсказательной силы ( подозрительно поглядываю на теорию струн).
Tyusha
28.01.2023 09:38Теория инфляции, как и проблема ландшафта, балансируют где-то на грани неверифицируемости.
Dynasaur
27.01.2023 15:12Очень интересно, но ничего не понятно. Особенно не понятно почему в заголовке слово "никогда".
Wizard_of_light
27.01.2023 15:48+1Так и не написали, почему мы не сможем заглянуть в самое начало Вселенной. Момент Большого взрыва от нас скрывает "огненная стена" высокоэнергетической материи, возникшей в его первые мгновения. В электромагнитных волнах нам мешает то самое реликтовое излучение - оно возникло в момент, когда первоначальная раскалённая плазма остыла достаточно, чтобы стать прозрачной. По современным теориям ко времени этого остывания с момента Большого взрыва прошло уже примерно 380 тысяч лет. Теоретически мы можем получить информацию о намного более раннем состоянии Вселенной - для нейтринного излучения плазма должна была стать прозрачной намного раньше - всего через пару секунд после Большого взрыва, но эти нейтрино сейчас имеют очень малую энергию, и с современной аппаратурой их зафиксировать не удаётся.
Dddn
27.01.2023 18:02-9Тут в океане, то не все формы жизни нашли на глубине, а замахнулись на начало вселенной. Теоретики фантазируют.
Oz_Alex
28.01.2023 13:06+4Сидит такой главный физик-теоретик и смотрит на данные от других учёных:
- Так, эти в океане никуда не продвинулись.
- Так, эти с лечением рака тупят.
- Так, пустыни до сих пор не озеленили.
Да ну нафиг эту работу, какой смысл от теоретической физики? Сворачиваем лавочку.
bbs12
27.01.2023 18:07+6Есть бесконечная пустота с квантовыми флуктуациями, физический вакуум. Если очень долго ждать, то рано или поздно произойдет очень большая флуктуация, большой всплеск энергии на ровном месте - это будет большой взрыв и так образуется вселенная. Это примерно как если очень долго смотреть на поверхность воды с небольшими волнами, то рано или поздно одна волна наложится на вторую, а потом ещё на третью и образуется очень большая волна как бы из ниоткуда. Если всё так, то вселенных должно быть бесконечное количество, но расстояния между соседними большими взрывами будут настолько гигантскими (из-за очень низкой вероятности такой большой флуктуации размером с наш большой взрыв), что нельзя будет даже пытаться думать о попытке связаться с соседней вселенной. Там числа в световых годах будут с триллионами нулей.
acsent1
28.01.2023 10:16Только вот есть ли бесконечная пустота? Вообще в существование бесконечности верится с трудом
YMA
28.01.2023 17:03+2Бесконечность как раз проще принимается. Любая граница вызывает вопрос - а что за ней? ;)
kauri_39
28.01.2023 23:29-3Вот за ней - уже бесконечность. И по опыту познания мира можно предположить, что она заполнена множеством таких же объектов, как и наш обитаемый объект, который имеет границу.
hogstaberg
30.01.2023 10:56Только вот пустота имеет смысл только там, где есть материя и пространство и вообще законы физики.
А мы как-то совсем не уверены в том, что они были "до". Мы и в наличии самого понятия "до" и то не уверены.
kauri_39
28.01.2023 00:41-7Отличная статья, так и хочется сочинить продолжение. Но сначала надо бы уточнить - почти мгновенное увеличение пространства от "городского квартала до наблюдаемой Вселенной" - это какой-то фазовый переход исходной сверхплотной среды, "ложного вакуума"? Тогда что это за среда, и что за переход?
Допустим, это был переход будущих квантов нашего вакуума от их свободного расширения к взаимно сжатому состоянию. Так образовался вакуум нашей Вселенной - от его случайного центра, где началось взаимное сжатие его квантов. Но чтобы за этим последовал Большой взрыв, вакуум должен также быстро набрать высокую плотность энергии.
Это и происходит, если некая энергия поступает в кванты вакуума непрерывно, вызывает их расширение и допущенный фазовый переход - их взаимное сжатие. Поэтому и сами кванты вакуума, и весь вакуум в целом быстро достигают сверхплотности, и в этой среде начинается образование фотонов - квантов электромагнитной энергии. Из чего? Из квантов вакуума, конечно. Больше не из чего.
Ну, а потом - Большой взрыв, эволюция материи, и вот мы сидим перед компьютерами и думаем, что же будет дальше... Да ничего нового не будет. Навстречу нашей Вселенной расширяются такие же соседние вселенные - будущие кванты вакуума вселенной следущего масштаба пространства-времени. Дальше будет их взаимное сжатие с концом света для всех их обитателей.
Нам повезёт. По некоторым сведениям, наша Вселенная станет фотоном во вселенной следущего масштаба. И наши потомки будут участвовать в организации эволюции материи в пределах этого "нового неба и новой земли". В общем, скучно, не интересно, но это лучший вариант будущего.
Oz_Alex
28.01.2023 13:09+2И опять здравствуйте, адепт эфира, который прямо, как в анекдоте про блоху, притянул за уши какую-то среду и тут же нашёл ей объяснение.
kauri_39
28.01.2023 17:04Вообще-то здесь не только я "притянул за уши каку-то среду", но и Алан Гут: "Вселенная не была заполнена материей и излучением. В ней содержалось большое количество энергии, присущей самой ткани пространства". Вот эта самая "ткань пространства", наполненная большим количеством энергии" (не излучением!) и есть среда. Её логической противоположностью является абсолютная пустота, но вы же не сторонник древних атомистов с их пустотой? Давно уже есть понятие физического вакуума - среды, обладающей плотностью энергии. О значении её плотности ещё можно спорить, но отвергать само понятие нельзя. Поэтому не следует вводить в заблуждение наивных читателей.
qyix7z
28.01.2023 10:14и вывело её в итоге к плоскому, пустому и однородному состоянию
Подскажите пожалуйста, что здесь понимается под термином «плоский»?
Polunochnik
28.01.2023 21:21Осталось доказать что первоначальный взрыв/расширение это и есть гипотетическая белая дыра
ElVibrio
29.01.2023 09:27+1Всегда возникает еретический вопрос: внутри чего расширяются вселенные? Почему кипит виртуальными частицами вакуум?
Yukr
29.01.2023 12:51поддерживаю! это самый трудный вопрос для всех теорий. даже если модели Вселенной сводят к "бубликообразному пространству", эту модель мы рисуем то в нашем, 3-х мерном. а если скажут,что это уже 4-е измерение, но над ним придётся постоить перпендикуляр к 5-му и т.д. То есть та же бесконечность высших порядков, без объяснения.
А кипящий вакуум - это вообще здорово... Стоит, типа кастрюля миллиард лет, и вдруг КАК ЗАКИПИТ!!! и как начнётся вода разлагаться на кислород и водород...
Opaspap
29.01.2023 11:44+1Поясните про 10e-32 секунды ? Разве, для того чтобы посчитать время, не нужно знать массу при плотности ? Мы знаем массу вселенной?
phdnk
30.01.2023 10:57И что теперь ? Сигнал B-mode искать и очищать его от сигнала пыли и магнитных полей бессмысленно ?
Dolios
https://habr.com/ru/post/550078/