Об устаревании идеи сингулярности перед Большим взрывом

Почти все слышали о Большом взрыве. Но если попросить разных людей, от обывателей до космологов, закончить предложение: «Вначале было…», вы получите множество различных ответов. Один из наиболее распространённых – «сингулярность», то есть, момент, когда вся материя и энергия Вселенной сконцентрировались в одной точке. Температура, плотность и энергия были бы сколь угодно, бесконечно большими, и это могло совпадать с зарождением самого пространства и времени.

Но эта картина не просто неверна, она уже лет 40, как устарела! Мы совершенно уверены в том, что с горячим Большим взрывом не было связано никакой сингулярности, и у пространства и времени могло вообще не быть момента зарождения. Вот, что нам известно, и откуда.

Астрономическое наблюдение GOODS-Север, проведённое при помощи телескопа Хаббл, позволило рассмотреть некоторые из наиболее удалённых галактик, которые мы когда-либо видели, многие из которых уже находятся на недостижимом для нас расстоянии. Заглядывая всё дальше и дальше, мы обнаруживаем, что наиболее удалённые галактики удаляются от нас всё быстрее и быстрее, благодаря расширению Вселенной.

Сегодняшняя Вселенная заполнена галактиками во всех направлениях и на разных расстояниях. В среднем, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Это происходит не из-за реального движения галактик в локальном для них космосе; всему виной расширение самой ткани пространства.

Такое предсказание было одним из необычных результатов, полученных из Общей теории относительности в 1922 году советским физиком Александром Фридманом, которое потом было подтверждено в наблюдениях Эдвина Хаббла и других учёных в 1920-х. Это означает, что с течением времени материя Вселенной рассредоточивается и становится менее плотной, поскольку объём Вселенной увеличивается. Это также означает, что в прошлом Вселенная была плотнее, горячее и более однородной.

Экстраполировав развитие назад, мы приходим к ранним более горячим и плотным состояниям. Приводит ли всё это к сингулярности, в которой перестают работать законы физики?

Экстраполировав развитие назад во времени, вы начнёте замечать несколько важных изменений Вселенной. В частности:

• Вы прибудете в эру, в которой у гравитации не было времени, чтобы сформировать из материи достаточно большие комки для появления звёзд и галактик.
• Затем вы прибудете туда, где Вселенная была настолько горячей, что не могла сформировать нейтральные атомы.
• Затем будет состояние, в котором даже ядра атомов будут разбиваться на части.
• Затем – где будут спонтанно появляться пары частиц материи-антиматерии.
• Затем – где отдельные протоны и нейтроны будут распадаться на кварки и глюоны.

В сингулярности ломается обычная физика, включая и момент самого начала Вселенной. Однако, у достижения сколь угодно горячего и плотного состояния есть свои последствия, многие из которых не подтверждаются наблюдениями.

Каждый шаг представляет Вселенную всё более молодую, маленькую, плотную и горячую. Продолжая экстраполяцию, мы увидим, что плотность и температура вырастает до бесконечных значений, в момент, когда вся материя и энергия Вселенной содержалась в одной точке: в сингулярности. Горячий Большой взрыв, как о нём думали изначально, представлял собой не просто горячее, плотное и расширяющееся состояние, но и тот момент, когда все законы физики переставали работать. Это было зарождение пространства и времени, способ заставить всю Вселенную внезапно появиться из ниоткуда. Это был изначальный акт творения: сингулярность, связываемая с Большим взрывом.

Звёзды и галактики, которые мы видим сегодня, не существовали всегда. Чем дальше мы пройдём назад по времени, тем ближе к сингулярности будет подходить Вселенная – но у экстраполяции есть свои ограничения.

Однако, если бы всё было именно так, и Вселенная в прошлом имела сколь угодно высокие температуры, у такого состояния было бы несколько явных признаков, которые можно было бы наблюдать и сегодня. В остаточном свечении Большого взрыва были бы температурные флуктуации огромных амплитуд. Видимые нами флуктуации были бы ограничены скоростью света, они появлялись бы только на масштабах, не больших космического горизонта. Должны были остаться реликты космоса высоких энергий, такие, как магнитные монополи.

И всё же, флуктуации температуры не превышают 1/30 000, что в тысячи раз меньше, чем предсказывает сингулярный Большой взрыв. Флуктуации, превышающие горизонт, существуют, что надёжно подтверждено спутниками WMAP и Планк. А ограничения на существование магнитных монополей и других реликтов сверхвысоких энергий чрезвычайно сильны. Отсутствие признаков их наличия имеет серьёзные последствия: во Вселенной никогда не было сколь угодно высоких температур.

Флуктуации реликтового излучения настолько малы и настолько характерны, что из них определённо следует тот факт, что в начале Вселенной повсюду была одна и та же температура. Размер флуктуаций в 1/30 000 совершенно не соответствует Большому взрыву произвольной температуры.

Должна быть какая-то граница. Мы не можем экстраполировать назад сколь угодно далеко, к горячему и плотному состоянию со сколь угодно большой температурой. Есть ограничение на то, как далеко мы можем зайти, и при этом правильно описать нашу Вселенную. В начале 1980-х появилась теория, по которой до того, как наша Вселенная была горячей, плотной, расширяющейся, охлаждающейся, и заполненной материей и излучением, она испытывала состояние инфляции. Наличие фазы космической инфляции должно было означать, что Вселенная:

• была заполнена присущей пространству энергией,
• что привело к быстрому, экспоненциальному росту,
• который растянул Вселенную до плоского состояния,
• придал ей одинаковые повсюду свойства,
• с квантовыми флуктуациями небольшой амплитуды,
• растянувшимися на все масштабы (даже превышающие горизонт),
• а затем инфляция закончилась.

Инфляция заставляет пространство экспоненциально расширяться, что может довольно быстро привести к тому, что изначально искривлённое или негладкое пространство покажется плоским. Если даже Вселенная искривлена, радиус её кривизны как минимум в сотни раз больше того, что мы можем обнаружить.

Когда инфляция заканчивается, она превращает энергию, присущую до этого самому пространству, в материю и излучение, что и порождает горячий Большой взрыв. Но это не приводит ко сколь угодно горячему Большому взрыву – только к такому, который достигает максимальной температуры в сотни раз меньшей, чем температура, способная породить сингулярность. Иначе говоря, она приводит к горячему Большому взрыву, возникающему из инфляционного состояния, а не из сингулярности.

Информация, существующая в нашей наблюдаемой части Вселенной, которую мы можем измерить, благодаря наличию к ней доступа, соответствует лишь последним 10^-33 секундам инфляции, и всему, что случилось после этого. Если вы захотите спросить, как долго длилась инфляция – мы не имеем понятия на это счёт. Она продолжалась, по крайней мере, немного дольше 10^-33 секунд, но продолжалась ли она немного дольше этого, сильно дольше, или шла бесконечное количество времени – это не просто неизвестно, это в принципе нельзя узнать.

Космическая история известной Вселенной показывает, что происхождением всей материи и всего света внутри неё мы обязаны окончанию инфляции и началу горячего Большого взрыва. С тех пор 13,8 млрд лет шла космическая эволюция. Такую картину развития подтверждают большинство источников.

Что же породило инфляцию? На эту тему ведётся множество исследований и рассуждений, однако никто этого не знает. Не существует свидетельств, на которые можно было бы опереться, никаких наблюдений, которые можно было бы сделать, никаких экспериментов, которые можно было бы провести. Некоторые люди делают ошибочные заявления вроде:

У нас была теория сингулярности Большого взрыва, породившей горячую, плотную, расширяющуюся Вселенную, до того, как мы узнали об инфляции; инфляция представляет собой просто промежуточный этап. Поэтому, у нас получается следующее: сингулярность, инфляция, горячий Большой взрыв.

Есть множество графиков и картинок, созданных ведущими космологами, иллюстрирующих данный сценарий. Но это не означает, что он верен.

Иллюстрация флуктуаций плотности (скаляр) и гравитационных волн (тензор), появившихся по окончанию инфляции. Предположение о существовании сингулярности до инфляции не обязательно будет верным.

Есть очень серьёзные основания полагать, что это не так! Мы можем математически продемонстрировать невозможность появления инфляционного состояния из сингулярности. И вот, почему: пространство во время инфляции расширяется с экспоненциальной скоростью. Представьте себе, как работает экспонента: по прошествии определённого количества времени Вселенная удваивает размер. Пройдёт в два раза больше времени, она удвоится два раза, то есть станет в четыре раза больше. Подождите три таких промежутка времени, и она удвоится три раза, то есть станет в 8 раз больше. Подождите 10 или 100 таких отрезков времени, и эти удвоения сделают Вселенную в 2¹⁰ или 2¹⁰⁰ раз больше.

Что означает, что если мы пойдём назад в прошлое на тот же отрезок времени, или в два, или в три, или в 10 или в 100 раз больший, Вселенная будет всё меньше и меньше, но никогда не достигнет нуля. Она, соответственно, будет составлять половину, четверть, 1/8, 2^-10, 2^-100 от первоначального размера. Но не важно, как далеко во времени мы зайдём, мы никогда не придём к сингулярности.

Синяя и красная линия – традиционный сценарий Большого взрыва, когда всё начинается в момент времени t=0, включая и само пространство-время. В инфляционном сценарии (жёлтый) мы никогда не приходим к сингулярности, в которой пространство принимает сингулярное состояние. Оно может стать сколько угодно малым в прошлом, а время продолжается бесконечно. Определить длительность этого состояния пытаются условие отсутствия границ Хокинга-Хартла и теорема Борда-Гута-Виленкина, но их нельзя назвать окончательными.

Среди космологов хорошо известна теорема, демонстрирующая неполноту прошлого инфляционного состояния. Это означает, что все частицы, существующие во Вселенной, испытывающей инфляцию, рано или поздно встретятся при экстраполяции назад по времени. Это, однако, не означает, что сингулярность обязательно существовала – просто инфляция не описывает всё, что происходило в истории Вселенной, например, её рождение. Нам также известно, что инфляция не может появиться из сингулярного состояния, поскольку испытывающий инфляцию участок всегда должен начинать с конечного размера.

Флуктуации пространства-времени на квантовом масштабе во время инфляции растягиваются по всей Вселенной, и порождают несовершенства в плотности и гравитационных волнах. Возникла ли инфляция из сингулярности, или нет, нам неизвестно.

Каждый раз, когда вы видите диаграмму, статью или историю о «сингулярности большого взрыва» или ещё какой-то сингулярности, существовавшей до инфляции, знайте, что вы имеете дело с устаревшим мышлением. Идея о сингулярности Большого взрыва потеряла актуальность, как только мы поняли, что перед горячим и плотным состоянием Большого взрыва существовало другое состояние – космическая инфляция – которое подготовило и запустило Большой взрыв. В самом начале пространства и времени, возможно, могла существовать сингулярность, из которой появилась инфляция – но гарантий этого нет. В науке есть вещи, которые можно проверить, измерить, предсказать, подтвердить или опровергнуть – например, инфляция, породившая горячий Большой взрыв. Всё остальное – не более чем досужие домыслы.