Что такое Большой отскок

Вселенная началась со взрыва либо с отскока — или вообще с чего-то другого? Вопрос о наших истоках — одна из самых «колючих» проблем в физике, у которой есть всего несколько ответов и множество спекуляций. Наиболее популярной и общепринятой теорией на сегодня считается космическая инфляция, согласно которой за несколько первых долей секунды после Большого взрыва все пространство-время пережило период невероятно быстрого расширения. Однако есть и другие конкурирующие идеи. Например, согласно циклической модели Вселенной нашему пространству-времени предшествовало другое, которое пережило период Большого сжатия и потом заново взорвалось — его мы сегодня и можем наблюдать. Кроме того, есть теория Большого отскока, вытекающая из циклической модели.

У инфляционной модели множество поклонников, так как быстрое расширение, которое она постулирует, объясняет множество свойств Вселенной — вроде того, почему она выглядит относительно плоской (а не изогнутой, говоря о крупных масштабах) и равномерной во всех направлениях (повсюду в пространстве, во всех направлениях вещества примерно одинаково). Оба условия развиваются, когда области пространства, оказавшиеся далеко друг от друга, изначально располагались очень близко. Однако, похоже, последние версии теории предполагают — или даже требуют, — что инфляция создала не только нашу Вселенную, но бесконечный ландшафт вселенных, на котором образовались все возможные типы вселенных со всеми наборами физических законов и свойств. Некоторым ученым нравится такое предположение, так как оно может объяснить существование именно нашей Вселенной с на первый взгляд случайными, но идеально настроенными условиями для существования жизни. Если на таком ландшафте существуют все вообразимые и невообразимые типы космоса, то нет ничего удивительного, что среди них есть и наш. В то же время другие физики считают идею Мультивселенной отталкивающей — отчасти из-за того, что, если теория предсказывает осуществление всех возможных событий, она не будет однозначно предсказывать нашу Вселенную.

Теории Большого отскока также предсказывают плоское и равномерно наполненное пространство благодаря сглаживающим воздействиям, которые могут происходить при его сокращении. Однако камнем преткновения идеи отскока долгое время считался переход от сжатия к расширению, которому требуется ненавистная ученым идея «сингулярности» — времени, когда Вселенная была точкой с бесконечной плотностью, — которую многие считают математически бессмысленным предположением, указывающим на то, что поезд теории сошел с рельсов. С недавних пор физики принялись утверждать, что они нашли уравнения отскока, в которых нет сингулярностей. В 2016 году Нил Турок и Штеффен Гилен опубликовали свои расчеты в журнале Physical Review Letters. Тогда Турок прокомментировал эту работу так:

«Мы обнаружили, что можем точно описать квантовую эволюцию Вселенной, и выяснили, что Вселенная гладко переходит через сингулярность на другую сторону. Мы на это надеялись, но ранее таких результатов не получали».

Итак, многие считают 2016 год моментом рождения Большого отскока, хотя сама концепция восходит еще к работам таких деятелей науки, как, в частности, Виллем де Ситтер и Георгий Гамов. Прорыв в разработке теории произошел благодаря двум техникам, примененным Туроком и Гиленом. Первая заключалась в использовании еще неполной теории квантовой космологии — смеси квантовой механики и Общей теории относительности — вместо описания Вселенной при помощи классической Общей теории. Вторая техника предполагала, что, когда пространство было совсем молодым, вещество вело себя как свет — в том плане, что законы физики, описывающие его, не зависели от масштабов. Например, свет действует одинаково вне зависимости от его длины волны. Однако физика вещества обычно отличается в зависимости от масштабов, о которых идет речь. По современным моделям, примерно первые 50 тысяч лет Вселенная была наполнена излучением, а обычного вещества, которое сегодня наблюдается повсюду в космосе, было немного. Последние модели Вселенной, образовавшейся в результате Большого отскока, указывают на то, что на ранних этапах она была безмасштабной.

Турок и Гилен обнаружили, что сокращающаяся Вселенная при таких условиях никогда не перейдет в состояние фактической сингулярности. По сути, она «туннелирует» через эту точку, «перепрыгивая» с состояния, предшествовавшего ей, в состояние после нее. И хотя поначалу это может показаться уловкой, в квантовой механике это доказанный феномен (квантовое туннелирование). Так как частицы не существуют в абсолютных состояниях, а скорее представляют собой облака вероятностей, есть небольшая, но реальная возможность, что они «туннелируют» через физические препятствия, чтобы попасть в недосягаемые места. Это как проходить через стены, только на микроскопическом уровне. Турок отмечает, что неточности пространства, времени и вещества указывают на то, что нельзя точно утверждать, где Вселенная находится в конкретный момент, что и позволяет ей проходить через сингулярность.

Вместе с тем в 2016 году Пол Стейнхардт и Анна Иджас работали над другим способом математической демонстрации возможности отскока. Они ввели в модель Вселенной особый вид поля, в котором сжатие может перейти в расширение, прежде чем пространство станет достаточно малым, чтобы перейти в состояние сингулярности. В своем исследовании они использовали классическую Общую теорию относительности. Другими словами, этой работой они показали, что отскок возможен не только с точки зрения квантовой механики, но и с точки зрения теории относительности.

Как и другие гипотезы о происхождении и эволюции Вселенной, теория Большого отскока пытается выявить, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Модели, построенные физиками, отображают только идеализированные, абсолютно гладкие вселенные, в которых отсутствуют малые флуктуации плотности, приводящие к образованию звезд, галактик и реального пространства. Так что ученым еще предстоит развить модели Большого отскока до более сложных систем.

Если Вселенная уже однажды «отскочила», то возникает логичный вопрос: произойдет ли это снова? Как бы то ни было, не все теории отскока предполагают, что цикл сжатий и расширений будет бесконечным, как утверждает циклическая модель Вселенной. Например, даже если наша Вселенная прошла через такой отскок, пока нет ни намека на то, что она переходит к очередному сжатию. Более того, наблюдения показывают, что темная энергия все больше растягивает пространство, унося галактики, которые не связаны друг с другом гравитационно, дальше и дальше друг от друга. Однозначного ответа на вопрос о том, что нас ждет в будущем, у науки нет. Однако он напрямую связан с тем, как все началось.