Что было до Большого взрыва? Путешествие через космологию, мультивселенные, пятое измерение и большой отскок

Москва, 10:47, 19 Сен 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Рождение Вселенной — это не просто рождение субатомных частиц и энергии, это также начало времени и пространства. До Большого взрыва временная (то есть основанная на времени) система отсчета нашей Вселенной еще не была установлена.

Мы можем только предположить, как возникла Вселенная. И мы можем сделать это таким образом, который руководствуется наукой, даже если эксперименты по проверке этих гипотез могут быть отдаленными или даже невозможными.

Но прежде нужно сделать краткий обзор космологии Большого взрыва.

Космология большого взрыва

Стандартная модель космологии говорит нам, что наша Вселенная родилась 13,8 миллиарда лет назад как чрезвычайно горячий, чрезвычайно маленький пузырь энергии. Он немедленно и быстро начал расширяться, взрываясь, как воздушный шар. Оно не расширялось «во что-либо»: все пространство содержится во Вселенной; просто это пространство стало больше.

Большинство космологов полагают, что через период экспоненциального расширения, известного как «инфляция», произошла небольшая доля секунды, в течение которого пространство расширилось от субатомного размера до размера футбольного мяча. Эпоха инфляции длилась всего около 10-32 секунд, после чего Вселенная возобновила свой нормальный темп расширения.

Намного позже, примерно через 1 секунду после Большого взрыва, Вселенная достаточно остыла, чтобы образовались протоны (ядра водорода) и нейтроны.

В течение следующих нескольких минут некоторые из этих частиц слились вместе, образуя ядра дейтерия, гелия и лития, последние из которых в крошечных количествах.

Это была эра первичного нуклеосинтеза, и это первая часть Большого взрыва, которую мы можем проверить напрямую и точно.

Намного, намного позже, Вселенная достаточно остыла, чтобы электроны могли связываться с ядрами, образуя атомы водорода и гелия. В этот момент Вселенная впервые стала прозрачной.

Свет, который отражался в плазме, теперь мог свободно двигаться, и мы все еще можем видеть последний свет того времени на космическом микроволновом фоне — снимок Вселенной, сделанный через 370000 лет после Большого взрыва.

Это был последний свет, который не будет производиться в течение миллионов лет, пока не сформировались первые звезды и не началась история галактик.

Космический микроволновый фон теперь дает нам лучший способ узнать о ранней истории нашей Вселенной.

Повернуть время вспять

Наше понимание ранней Вселенной основано на наших двух наиболее проверенных и успешных физических теориях: Стандартной модели физики элементарных частиц и Общей теории относительности Эйнштейна.

Мы можем взглянуть на конкретное распределение галактик во Вселенной, конкретные закономерности на фоне космического микроволнового излучения и наблюдаемые соотношения изобилия первичных элементов и задать вопрос: «Какое начальное состояние Вселенной привело бы к этому?»

Мы можем вернуться во времени, используя наши две теории, и мы можем сравнить наши теории со многими наблюдениями.

Что такое теория струн?

За последнее столетие мы разорвали атомы на части, открыв фундаментальные строительные блоки. Но действительно ли они фундаментальны? Не в соответствии с теорией струн.

Но мы можем только вернуться настолько далеко. В какой-то момент Вселенная становится настолько плотной, а температура настолько высокой, что нам нужна другая теория — та, которая объединяет Стандартную Модель с Общей Относительностью.

Эта теория должна объяснить, как заниматься физикой в ​​так называемом «масштабе Планка», когда плотность вещества во Вселенной настолько высока, что это влияет на кривизну Вселенной и саму скорость расширения.

Эта теория еще не существует, и это одна из причин, почему мы еще не знаем, откуда взялась Вселенная. Мы не можем пройти мимо масштаба Планка.

Тем не менее, все нижеприведенные сценарии связаны с теориями, которые могли бы решить некоторые существующие проблемы в физике элементарных частиц или в космологии, и поэтому в некотором роде они поддерживаются теоретической физикой.

Имея это в виду, наслаждайтесь некоторыми образовавшимися спекуляциями!

Большой отскок

Открытой проблемой космологии является судьба Вселенной. Вселенная может расширяться вечно, становясь все холоднее и холоднее, пока в далеком будущем вся деятельность не прекратится.

Действительно, исходя из текущих измерений, эта «тепловая смерть» является вероятной судьбой.

Однако другая возможность, которую мы не можем игнорировать, заключается в том, что Вселенная перестает расширяться и снова начинает сокращаться, что в конечном итоге заканчивается Большим кризисом (или, как назвал это Дуглас Адамс, «gnab gib»).

Это будет выглядеть очень похоже на Большой взрыв, но в обратном направлении. Вселенная нагревается при сжатии, испаряя молекулы, атомы и ядра, пока вновь не станет крошечной чашкой очень горячего супа.

Когда Вселенная становится достаточно горячей, как мы упоминали ранее, мы не знаем, что произойдет. У нас нет теории, которая могла бы описать это.

Одна возможность состоит в том, что после достижения масштаба Планка Вселенная снова начнет расширяться, совершая новый Большой взрыв и начиная цикл заново.

Если эта идея верна, Вселенная вечно колеблется в циклах Большой кризис / Большой взрыв.

Столкновение Вселенных

Некоторые теории, которые стремятся объединить общую теорию относительности и стандартную модель, такие как теория струн, постулируют дополнительные пространственные измерения помимо трех, которые мы наблюдаем.

Чтобы объяснить тот факт, что мы их не видим, теоретики предполагают, что они компактифицируются в крошечные петли или что силы физики элементарных частиц не могут проникнуть в одно или несколько измерений.

Наша Вселенная имеет четыре измерения пространства-времени. Если мы представим, что существует пятое измерение, тогда наша Вселенная появится в виде четырехмерного листа в этом пятимерном пространстве.

Этот тип Вселенной называется «брана» (сокращение от мембраны).

Вдоль этого дополнительного измерения могут существовать и другие Вселенные, отрезанные от нашей Вселенной пространством, в которое частицы не могут проникнуть.

Нет также причины, по которой у Вселенных не было бы скорости в этом дополнительном измерении, и иногда эти браны могут сталкиваться.

Столкновение двух бран было бы катастрофическим событием, вызвавшим большой взрыв.

Вечная инфляция

Изначально инфляция была предложена для решения существующих проблем в космологии.

Это объясняет, например, почему противоположные концы видимой Вселенной имеют одинаковую температуру, несмотря на то, что они никогда не находились в тепловом контакте друг с другом. Из-за инфляции вся наша видимая Вселенная фактически происходит из очень крошечного и однородного региона.

Наблюдения за распределением галактик во Вселенной и космическим микроволновым фоном подтвердили предсказания инфляции. Однако вскоре стало понятно, что внутри инфляционного механизма появляется другая возможность.

В некоторых случаях, когда начинается инфляция, может быть очень трудно остановить ее из-за квантовых колебаний. Этот сценарий известен как вечная инфляция. Инфляция будет продолжаться вечно, хаотически экспоненциально расширяя пространство.

Но иногда, по счастливой случайности, пузырьки стабильности могут возникать в водовороте инфляции, и одним из них может быть наша Вселенная.

При наличии достаточного количества времени будет происходить ошеломляюще большое количество — возможно, даже бесконечное количество — таких пузырьков со всеми видами различных космологических и физических свойств, существующих в различных пузырьковых вселенных.

Наша Вселенная была бы всего лишь одним пузырем в мультивселенной. Подавляющее большинство пузырьковых вселенных может иметь физические законы, которые не позволяют развивать звезды, планеты или людей.

Но все равно было бы необычайное количество особенно удобных вселенных, таких как наша, которые могут поддерживать жизнь.