Большой взрыв и мультивселенная: разгадка мифов и научные факты

« На вопрос, почему это случилось, я отвечу скромным предположением, что наша Вселенная – из числа тех вещей, что время от времени случаются » (Эдвард Трайон)

« Несмотря на название, Теория Большого взрыва – это вообще не теория взрыва. Это теория последствий взрыва » (Алан Гут)

« Популярность инфляционной идеи объясняется тем, что она аналогична исповеди — полностью стирает все прошлые грехи » (Шон Кэрролл)

Вопрос о происхождении всего сущего является одним из самых древних, на который человечество искало ответы на протяжении тысячелетий. В поисках истины были созданы множество мифов о сотворении мира, развивались философские концепции, а также разрабатывались научные теории. Наиболее древние и универсальные мифы рассказывают о мировом океане, который символизирует первозданный хаос. В этих мифах различным богам или существам приписывалось создание мира — от утки, которая достает песок с океанского дна, до божеств, создающих вселенную через пахтание горой или жертвоприношение великана-первочеловека. Эти мифы долгое время воспринимались как объяснение, но с началом научной революции учёные начали искать более логичные и доказуемые объяснения. Сегодня у нас есть космологическая модель, которая предлагает исчерпывающее объяснение возникновения и эволюции Вселенной.

Тем не менее, теория Большого взрыва воспринимается далеко не всеми как истинное объяснение. Многие, в лучшем случае, сомневаются в её истинности, а в худшем — отрицают её, создавая новые мифы, интерпретируя старые и повторяя одни и те же вопросы. Например: что было до Большого взрыва? Как могло всё возникнуть из «ничего»? Неужели Вселенная — это бесплатный обед? Должен ли быть у неё Творец? Почему Вселенная продолжает расширяться, а мы — нет? Где записан генетический код Вселенной? И, наконец, продолжается ли Большой взрыв до сих пор?

Как появилась теория Большого взрыва

Теория Большого взрыва — это относительно молодая теория, которой ещё не исполнилось и ста лет. Её становление, вероятно, знакомо многим, но для полноты картины стоит сделать краткий пересказ. До середины XX века большинство учёных придерживались мнения, что Вселенная вечна и статична. В 1915 году Альберт Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности, которая предполагала, что Вселенная не может быть постоянной и неизменной. Однако Эйнштейн, не осмелившись отказаться от идеи стационарности, добавил в уравнения космологическую постоянную, которая должна была противодействовать гравитации. В 1917 году он сам признал этот элемент своей теории ошибкой. В 1922 году советский математик Александр Фридман вывел три уравнения, описывающие различные модели космологической эволюции, в том числе доказал, что стационарная Вселенная Эйнштейна неустойчива, как карандаш, стоящий на острие. Это означало, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В модели Фридмана впервые появилась идея о начале Вселенной как взрывном процессе.

В 1927 году бельгийский священник и учёный Жорж Леметр, в своей статье «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей», независимо от Фридмана вывел уравнения и предположил, что если Вселенная расширяется и остывает, то когда-то она была гораздо более плотной и горячей. В ответ на его работу Эйнштейн отметил, что «ваши расчёты верны, но ваше понимание физики отвратительно». Однако в 1929 году наблюдения Эдвина Хаббла подтвердили гипотезу Леметра, продемонстрировав, что скорость удаления галактик обратно пропорциональна их расстоянию. Это открытие значительно укрепило гипотезу о расширяющейся Вселенной. Эйнштейн, поменяв свою позицию, признал правоту Леметра и отказался от своей космологической постоянной.

В 1931 году Леметр предположил, что когда-то вся материя Вселенной была сосредоточена в одной точке, от которой начался процесс расширения, что привело к созданию пространства и времени — первичного атома. Этот вывод стал основой теории Большого взрыва.

Когда стало ясно, что Вселенная действительно расширяется, эта идея получила широкое признание. В 1948 году астрофизик Георгий Гамов, бежавший из СССР в США, вместе с Альфером и Бете объяснил изобилие лёгких элементов (водорода и гелия) в ранней Вселенной с помощью первичного нуклеосинтеза, а также предсказал существование реликтового излучения — остаточного света, заполняющего раннюю Вселенную. На тот момент теория называлась «динамическая эволюционирующая модель», а термин «Большой взрыв» был введён её критиком Фредом Хойлом в 1949 году. В 1965 году, после открытия реликтового излучения, теория Большого взрыва получила окончательное подтверждение. Это открытие стало решающим доказательством того, что модель о стационарной Вселенной, предложенная Хойлом и его коллегами, была ошибочной.

С тех пор накопилось множество данных, подтверждающих, что Большой взрыв действительно имел место 13,8 миллиардов лет назад. Тем не менее, теория продолжает вызывать споры, особенно среди псевдонаучных кругов и конспирологов. В связи с этим полезно разобраться в мифах и заблуждениях, окружающих эту теорию. Но прежде чем продолжить, необходимо чётко определить, что именно мы понимаем под термином «Большой взрыв».

Большой взрыв можно интерпретировать в двух значениях: узком и широком. В узком смысле это момент в истории Вселенной, когда она начала расширяться с высоким температурным состоянием. В более широком контексте это весь период расширения Вселенной, включая фазу охлаждения. Если провести аналогию с обычным взрывом, то можно сказать, что его продолжительность ограничена временем, пока не рассеивается вся кинетическая энергия. Однако Вселенная, вероятно, никогда не прекратит своё расширение, что позволяет утверждать, что Большой взрыв происходит прямо сейчас и будет продолжаться до достижения теплового равновесия. С другой стороны, первоначальная фаза взрыва продолжалась лишь около 20 минут, когда происходила аннигиляция материи с антиматерией и выделялась энергия в процессе первичного нуклеосинтеза. После этого Вселенная продолжила расширяться по инерции, пока её ускоренное расширение не было подхвачено тёмной энергией. Большинство источников используют термин «Большой взрыв» в контексте так называемой фазы горячего Большого взрыва, которая началась в первую секунду существования Вселенной и продолжалась около 380 000 лет, до того как температура упала настолько, что могли образоваться первые атомы. В этой статье мы будем употреблять термин «Большой взрыв» именно в таком значении.

Мифы о Большом взрыве

Миф №1. Большой взрыв — это «всего лишь теория» или недоказанная гипотеза.

На самом деле, Большой взрыв — это научная теория, основанная на множестве наблюдений, а не гипотеза. Часто люди ошибочно относят к теории Большого взрыва такие вопросы, как «что было до Большого взрыва?», «что взорвалось и почему?», или «произошёл ли Большой взрыв один раз или он повторяется циклично?» Однако теория Большого взрыва не касается этих аспектов. Всё, что она утверждает, это то, что 13,8 миллиардов лет назад Вселенная была очень маленькой и горячей, и с тех пор она непрерывно расширяется и охлаждается. В дальнейшем теория была расширена с учётом стандартной космологической модели ΛCDM и инфляционной теории Вселенной.

В основе теории Большого взрыва лежат четыре ключевых наблюдения:

1. Космологическое красное смещение в спектре излучения галактик, что подтверждает расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла.

2. Реликтовое излучение, предсказанное Георгием Гамовым в 1948 году и обнаруженное в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном в лаборатории Bell Labs. Впоследствии спутники COBE, WMAP и Планк с высокой точностью измерили его характеристики, такие как температура, поляризация и анизотропия, что подтвердило теоретические расчёты. До недавнего времени следы космического микроволнового излучения можно было наблюдать на экранах старых телевизоров, где оно составляло около 1% белого шума с пиковыми частотами на уровне 160,4 ГГц.

3. Спектральный анализ излучения удалённых галактик, который позволяет определять их химический состав. Данные подтверждают предсказания теории Большого взрыва относительно распределения лёгких элементов: 75% водорода, 25% гелия и следовые количества дейтерия и лития, образовавшихся в процессе первичного нуклеосинтеза. Более тяжёлые элементы возникли позже в процессе звёздного нуклеосинтеза, а также в результате взрывов сверхновых и гиперновых.

4. Современные модели формирования и эволюции галактик, их скоплений и сверхскоплений, то есть крупномасштабной структуры Вселенной, полностью согласуются с динамикой её расширения, как это предсказывает теория Большого взрыва.

Миф №2. Куда расширяется Вселенная и где центр Большого взрыва?

Большой взрыв не следует воспринимать как взрыв бомбы в пустом пространстве. Его ошибочно представляют как расширение материи от некоего центра во внешний вакуум или как распространение ударной волны, исходящей изнутри наружу. На самом деле, вне Вселенной нет пространства, в которое она могла бы расширяться. Как объясняет астрофизик Итан Сигель:

«Не существует места, с которого Вселенная начала расширяться из-за Большого взрыва; существует время, с которого Вселенная начала расширяться. Именно это и есть Большой Взрыв — условие, влияющее на всю наблюдаемую Вселенную в определённый момент. Поэтому смотреть на дальние расстояния во всех направлениях — значит, смотреть в прошлое. Все направления имеют примерно одинаковые свойства. Поэтому мы можем отслеживать историю космической эволюции так далеко, как позволяют наши наблюдения».

У Большого взрыва нет центра — он произошёл одновременно во всех точках пространства. У него также нет границы — космологический горизонт является лишь условной границей, отделяющей от нас объекты, удаляющиеся со скоростью, превышающей скорость света. В процессе расширения Вселенной материя не движется сама по себе — расширяется только пространство между галактиками, в то время как сами галактики и всё, из чего они состоят, не расширяются, благодаря гравитационным силам. Лучше всего представить галактики, как нарисованные на поверхности воздушного шарика: при надувании шарика все они будут удаляться друг от друга, что наглядно демонстрирует космологическое красное смещение.

Миф №3 Вселенная не расширяется, и галактики не удаляются от нас – это мы сами сжимаемся вместе с галактиками и частицами, из которых они состоят.

Существует заблуждение, что вместе с расширением Вселенной должны увеличиваться размеры планеты Земля, Солнечной системы и галактики Млечный Путь. Если бы это было так, мы не могли бы заметить расширение, потому что все наши измерительные приборы тоже бы «расширялись». В такой модели, в которой расстояния между объектами внутри системы изменяются, мы бы наблюдали стабильные размеры. Однако, когда удалённые галактики, не связанные гравитационными силами, удаляются друг от друга, это называют расширением Вселенной. В отличие от этого, размеры самих галактик остаются неизменными, потому что их удерживает от расширения сила гравитации.

Что если рассматривать расстояния между несвязанными галактиками как постоянные, а все наши измерительные приборы — как сокращающиеся с течением времени? Если в расширяющейся вселенной увеличивается объём пустого пространства, то в гипотетической стационарной вселенной эволюционирующих объектов размеры, массы и энергии содержимого будут уменьшаться. Это можно представить как плоскость, на которой массивные объекты, такие как галактики, создают гравитационные «ямы», в которых они будут поглощаться, уменьшаясь в размерах. Таким образом, вселенная будет оставаться статичной и неизменной по объёму, но масштаб длины, времени и массы эволюционирует, так же как фундаментальные константы (постоянная Планка, гравитационная постоянная, константа тонкой структуры и другие).

Универсальность физических законов является основой современной космологии, наряду с космологическим принципом , который утверждает, что в больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, то есть выглядит одинаково во всех направлениях, независимо от того, где находится наблюдатель. Эти два постулата были подтверждены наблюдениями с погрешностью порядка 10 ^-5 . Первый из них был проверен путём поиска возможных отклонений постоянной тонкой структуры в различные эпохи существования Вселенной. Второй был подтверждён наблюдениями температуры реликтового излучения.

Гипотеза о возможности изменения физических констант была выдвинута Полем Дираком ещё в 1937 году, однако на данный момент наблюдения атомных спектров в разных космологических эпохах не дают подтверждений этой гипотезе. За десятилетия работы учёные измеряли различные характеристики элементарных частиц, уточняя их и сравнивая с предыдущими результатами, чтобы убедиться, что эти величины остаются постоянными. Например, магнитный момент электрона с 2007 по 2022 год изменился менее чем на одну часть на триллион, что подтверждает стабильность постоянной тонкой структуры. Спин-флип переход водорода с 1951 года имеет погрешность всего 1,4 части на триллион, что свидетельствует о неизменности постоянной Планка. Точно так же эквивалентность инерционной и гравитационной массы на 2017 год подтверждена с точностью до одной части на квадриллион, что также свидетельствует о стабильности гравитационной постоянной.

Однако изменения в этих постоянных могут быть обнаружены только относительно некой эталонной величины. Если все константы изменяются во времени синхронно и пропорционально, для наблюдателя такая вселенная будет неотличима от расширяющейся. Мы бы по-прежнему наблюдали красное смещение и удаление галактик, но причина этого заключалась бы не в расширении пространства, а в изменении свойств измерительных приборов и изменяющихся единиц измерений длины, времени и массы. Уже предпринимались попытки модификации общей теории относительности и построения новой космологии с изменяющимися константами в неискривлённом пространстве-времени Минковского или в рамках теорий квантовой гравитации. Одним из примеров является теория Стивена Вольфрама, где основным элементом является пространственный гиперграф, а частицы представляют собой топологические дефекты, обладающие переменными свойствами, такими как размеры, массы и сила взаимодействий. Эта модель является полностью эквивалентной модели расширяющейся вселенной в её предсказаниях, но, в отличие от классической космологии, она требует объяснения того, почему все другие константы эволюционируют таким образом, что создают иллюзию расширения Вселенной. В таком случае возникает вопрос: почему мы должны принимать пространство-время за абсолютную систему отсчёта и считать частицы уменьшающимися относительно него?

Миф №4 . Мы не можем узнать, что было до Большого взрыва .

Абсолютная граница, за которой мы не можем наблюдать события с помощью современных телескопов, – это поверхность последнего рассеяния . Этот момент произошёл 13,8 миллиардов лет назад, когда Вселенная была настолько горячей и плотной, что она была непрозрачна для света. Как только состоялась рекомбинация (образование атомов), произошёл разрыв, и первичный свет стал отделяться от материи, достигая нас в виде реликтового излучения, которое мы наблюдаем в форме космического микроволнового фона. Это излучение имеет плотность около 0,25 эВ или 4 × 10 ^-14 Дж/м³, что соответствует примерно 400-500 фотонам на кубический сантиметр. Карта этого излучения, полученная с помощью спутников WMAP и «Планк», отображает температурные флуктуации ранней Вселенной, которые в конечном итоге привели к образованию крупных структур, таких как сверхскопления и скопления галактик. Разница температур на карте между красными и синими пятнами составляет лишь стотысячную долю градуса. Более подробную информацию о событиях того времени могли бы дать наблюдения за реликтовыми нейтрино и первичными гравитационными волнами, но на данный момент их обнаружение невозможно из-за ограничений современной технологии. Однако учёные, используя данные о реликтовом излучении, могут экстраполировать эти знания на более ранние этапы истории Вселенной, отслеживая её развитие до самого начала. Для получения сведений о материи в экстремальных условиях температуры и плотности используются принципы Стандартной модели квантовой механики.

Миф №5 . Согласно теории Большого взрыва, Вселенная конечна во времени и у неё есть начало .

Это утверждение неверно. На самом деле ни одна из существующих космологических моделей не утверждает, что Вселенная когда-либо не существовала. Понятие «Вселенная» охватывает не только материю, но и вакуум, энергию вакуума и квантовые поля, которые, скорее всего, существовали всегда, хотя и могли изменяться в разные исторические моменты. Когда речь идёт о наблюдаемой Вселенной, которая ограничена космологическим горизонтом, мы знаем лишь, что 13,8 миллиардов лет назад она была горячей, плотной и маленькой. О более ранних событиях можно лишь строить гипотезы. Наибольшее признание среди учёных получила теория инфляции , согласно которой Вселенная могла возникнуть спонтанно из пустоты (без пространства, времени и материи) в результате квантовых флуктуаций метастабильного ложного вакуума, что вызвало расширение пузыря истинного вакуума. В то же время эта теория не исключает возможность существования других вселенных до Большого взрыва, однако такие гипотезы пока невозможно проверить.

Существуют и другие менее изученные, но интересные теории. Одна из них — это модель Конформной циклической космологии Роджера Пенроуза, где Большой взрыв не является началом Вселенной, а лишь завершением предыдущего цикла (или эона) и началом нового. Другая теория, предложенная теоретиками струн, известна как теория Большого отскока , предполагает, что Вселенная постоянно проходит через фазы расширения и сжатия, никогда не достигая сингулярности. Когда плотность и температура достигают критической отметки, происходит отскок, после чего начинается новый цикл расширения. В рамках теории Большого разрыва предполагается, что тёмная энергия в конечном итоге разрушит Вселенную на части, после чего каждая из них породит новую вселенную. Также существует гипотеза, предложенная Ли Смолиным, согласно которой вселенные появляются в результате взрывов сингулярности в чёрных дырах. Нейл Турок, теоретик струн, выдвигает экпиротический сценарий, предполагающий образование нашей Вселенной из столкновения двух многомерных «бран». Все эти теории не отвергают сам факт Большого взрыва, но считают его не началом, а лишь важной вехой в циклической эволюции Вселенной.

Миф №6 . Теория Большого взрыва предполагает, что Вселенная возникла из сингулярности — состояния с бесконечной плотностью и температурой, где время и пространство перестают существовать. .

Это предположение было актуально на протяжении более 40 лет, однако в настоящее время оно утратило свою актуальность. Ранее термин «сингулярность» использовался везде, где известные законы физики переставали работать. Однако в последние десятилетия ученые стараются избегать применения этого термина, стремясь разработать более точные гипотезы. Сингулярность представляет собой состояние, когда физическая величина стремится к бесконечности, что приводит к делению на ноль в уравнениях и разрушению любых разумных объяснений. В частности, общая теория относительности предсказывает образование сингулярности в чёрных дырах, где плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными. В 1968–1970 годах Стивен Хокинг, Роджер Пенроуз и Джордж Эллис математически доказали, что во всех релятивистских моделях Большого взрыва Вселенная неизбежно начинается с точки сингулярности. Однако стоит учитывать, что плотность и температура не могут одновременно стремиться к бесконечности, поскольку чем выше температура, тем больше энтропия, а чем выше плотность, тем она, наоборот, уменьшается. К счастью, общая теория относительности не дает точных предсказаний для высокоэнергетической среды ранней Вселенной, и в этих условиях начинает действовать квантовая механика.

В рамках современных инфляционных моделей Большого взрыва предполагается, что Вселенная начала расширяться с очень малого, но ненулевого объема. Согласно этим моделям, в Планковскую эпоху (период с 0 до 10^-43 секунд) Вселенная имела планковский радиус (10^-35 м), планковскую температуру (10³² К), планковскую плотность (10⁹³ г/см³) и планковскую массу (10^-8 кг). Что происходило до этого момента, современные физические теории не могут описать. В этой связи часто можно встретить высказывание Стивена Хокинга: « Бог не мог создать Вселенную за семь дней, так как у него не было времени, ведь до Большого Взрыва времени не существовало. »

Действительно, до Большого взрыва не существовало ни времени, ни пространства. Вселенная с нулевым радиусом представляет собой отсутствие Вселенной как таковой. В этом контексте понятие времени теряет смысл, ведь в такой ситуации ничего не происходит. Однако это не следует воспринимать как «ничто» или абсолютное небытие, поскольку данное состояние подчиняется законам квантовой физики. Пустота, как известно, не является пустым пространством — она наполнена виртуальными частицами, что становится понятным из статьи « Вакуум – пустота или полнота? ».

Миф №7 . Как всё могло образоваться из ничего?

Вопрос «всё из ничего» является значительным упрощением. Даже в самых консервативных моделях Вселенная возникает не на пустом месте, а из квантовых флуктуаций вакуума. Вакуум, как известно из квантовой теории поля, не является пустым пространством, а состоит из флуктуаций квантовых полей в их основном состоянии, что приводит к появлению виртуальных частиц. О том, как флуктуации порождают сложность, а также сколько времени требуется для материализации объектов из вакуума, я более подробно рассказываю в статье « Бесконечные обезьяны, больцмановские мозги и другие чудеса статистической механики ». Со временем, в вакууме могут появляться любые частицы и поля с любыми значениями энергии и массы, однако чем больше эти значения, тем быстрее происходит аннигиляция. Впрочем, даже крошечное нарушение симметрии между материей и антиматерией может привести к неполной аннигиляции, в результате чего часть вещества останется и материализуется в виде реальных частиц. Наилучшим образом этот принцип сформулировал космолог Лоуренс Краусс: « при правильных условиях что-то не только может появиться из ничего, но и должно », потому что « то, что явно не запрещено, гарантированно произойдёт ».

Согласно модели Большого взрыва, предложенной Фридманом, Вселенная начала расширяться из сингулярного состояния, где кривизна была бесконечной, а плотность материи стремилась к бесконечности. Однако возникает вопрос, почему Вселенная начала расширяться, если она вполне могла коллапсировать обратно в сингулярность на ранней стадии своей эволюции, когда её гравитационное поле было достаточно сильным? Часто утверждают, что для формирования чёрной дыры необходимо неравномерное распределение материи, но ранняя Вселенная была чрезвычайно однородной и заполняла всё пространство. В действительности же всё зависит от соотношения сил гравитации и энергии вакуума. Если масса сосредоточена в малом объёме, то гравитация доминирует, вызывая коллапс в точку. Если же масса относительно мала, а радиус велик, то преобладает энергия вакуума, способствующая расширению. Критическое соотношение массы и радиуса, которое разделяет сжатие и расширение, создаёт энергетический барьер, аналогичный кулоновскому барьеру, препятствующему отталкиванию одинаково заряженных ионов в звёздных ядрах. Однако в квантовой механике всегда существует ненулевая вероятность преодоления таких барьеров через туннелирование. Именно этот механизм лежит в основе слияния ядер атомов водорода в процессе звёздного нуклеосинтеза. Более подробно я рассматриваю эту тему в статье « Квантовое туннелирование, телепортация, квантовый интернет ».

Подобным образом работают и флуктуации квантовой пены: существует вероятность, что Вселенная не коллапсирует в сингулярность, а «туннелирует» через энергетический барьер, расширяясь. Этот случайный, неунитарный «квантовый скачок» напоминает процессы распада радиоактивного атома или перехода электрона с высокой орбитали на более низкую. В данном контексте происходит квантовый переход из вакуумного состояния с более высокой энергией в состояние с низшей энергией, сопровождающийся излучением избытка энергии. Идея о том, что звезда может возникнуть в процессе квантового перехода в вакууме, благодаря компенсации положительной энергии массы отрицательной энергией её гравитационного поля, была впервые высказана Паскуалем Йорданом в 40-х годах прошлого века. Когда Георгий Гамов рассказал об этом Альберту Эйнштейну, тот « остановился как вкопанный, и, поскольку мы переходили улицу, нескольким машинам пришлось остановиться, чтобы не сбить нас ». В 1973 году Эдвард Трайон опубликовал статью в журнале Nature, в которой высказал гипотезу о том, что сама Вселенная возникла в результате крупномасштабной квантовой флуктуации энергии вакуума, и что её положительная масса-энергия уравновешивается отрицательной гравитационной энергией. Этот взгляд стал основой квантовой космологии , которая дополнила традиционную релятивистскую космологию.

В целом эти теории давали достаточно полное объяснение самого момента Большого взрыва и возможных причин его возникновения. Однако долгое время они не могли ответить на несколько ключевых вопросов, например, на проблему горизонта : почему реликтовое излучение во всех точках Вселенной имеет практически одинаковую температуру? Разные области космического микроволнового фона, находящиеся на расстоянии 93 миллиардов световых лет друг от друга и разделённые горизонтами, не могли взаимодействовать между собой, но всё же пришли к тепловому равновесию. Кроме того, оставался неразрешённым вопрос о проблеме плоской Вселенной : почему средняя плотность Вселенной столь близка к критической, а её кривизна близка к нулю? Наконец, теория Великого объединения предсказывала наличие магнитных монополей, которых должно было быть больше, чем протонов, нейтронов и электронов вместе взятых. Однако до сих пор не удалось обнаружить ни одного такого монополя, а также другие экзотические реликты, предсказываемые этой теорией.

Для решения этих проблем в 1979–1981 годах Алексей Старобинский и Алан Гут предложили независимые друг от друга гипотезы инфляции, или инфляционную модель Большого взрыва . Основная идея инфляции заключалась в том, что в начальный момент времени Вселенная пережила чрезвычайно быстрый экспоненциальный рост, увеличившись на 28 порядков. Этот процесс происходил настолько быстро, что за столь короткий промежуток времени в структуре Вселенной не успели образоваться неоднородности, которые могли бы повлиять на дальнейшее распределение вещества. Поэтому Вселенная по сей день остаётся однородной и изотропной, то есть одинаковой во всех направлениях. Инфляция стирает любые следы начальных условий, и именно по этой причине её часто сравнивают с очищением от грехов. Если бы в Эпоху великого объединения действительно образовывались магнитные монополи, то инфляция быстро увезла бы их за пределы космологического горизонта. Одновременно инфляция «замораживала» исходные квантовые флуктуации, растягивая их и делая классическими. Эти флуктуации сохраняются до сих пор, фиксируясь в виде температурных изменений в реликтовом излучении. Космолог Олег Верходанов называл их генетическим кодом Вселенной . Без этих флуктуаций материя распределялась бы равномерно, и гравитация не смогла бы сформировать звезды или первые галактики. Таким образом, малые квантовые отклонения в энергии преобразовываются в температурные колебания и оставляют свой след в реликтовом излучении.

Для описания инфляционной Вселенной используется метрика де Ситтера с положительной космологической константой, что соответствует лямбда-члену, от которого, как известно, Эйнштейн отказался. В пространстве де Ситтера, которое экспоненциально расширяется, энергия вакуума оказывает отрицательное давление, которое равняется по величине её плотности энергии: p = −ρ. Это приводит к тому, что любые два несвязанных объекта, изначально находящиеся в состоянии покоя, начинают удаляться друг от друга с ускорением. Каждый объект окружён сферическим горизонтом событий, пересекая который другой объект не может вернуться назад, и даже световые сигналы, отправленные им, не достигнут исходного объекта. Таким образом, пространство-время де Ситтера можно представить как аналог вывернутой наизнанку чёрной дыры Шварцшильда.

Алан Гут предложил гипотезу, согласно которой ранняя Вселенная находилась в состоянии метастабильного ложного вакуума с высокой плотностью энергии. Это состояние могло быть изменено с помощью квантового туннелирования. В процессе распада ложного вакуума возникают пузыри истинного вакуума, которые быстро расширяются со скоростью света. В старой инфляционной модели предполагалось, что эти пузыри не генерируют излучение для нагрева Вселенной, так как их столкновение является редким событием. Однако, в условиях инфляции пузыри будут отдаляться друг от друга слишком быстро, не успевая встретиться. Вдобавок, старое представление о инфляции не содержало механизма её завершения, что приводило к тому, что инфляция могла продолжаться бесконечно.

В 1982 году проблему изящного выхода из инфляции удалось решить Андрею Линде, Андреасу Альбрехту и Полу Стейнхардту, предложившим новую, или медленную инфляционную модель. В рамках этой теории инфлатонное поле распадается не резким квантовым переходом, а более плавной унитарной эволюцией, что иллюстрируется движением шарика, который скатывается с высокогорного плато в низину. Эта модель предполагает наличие нескольких минимумов потенциала, долин, холмов и неровностей. По мере скатывания инфлатона с одного минимума на другой может возникнуть очередной переход от ложного вакуума к истинному. Когда холм становится достаточно крутым, инфляция завершится, а процесс может вызвать повторный нагрев.

Миф №8 . Что могло взорваться, если до Большого взрыва ничего не существовало? Откуда появилась энергия для начала этого события?

В рамках инфляционной теории, которая является одной из современных концепций, начало Вселенной связано с так называемым скалярным полем, известным как поле инфлатона . Это поле характеризуется равномерной распределённой напряжённостью по всему пространству. Скалярное поле представляет собой тип поля, в котором каждой точке пространства приписано числовое значение, в данном случае — энергия. Для наглядности можно провести аналогию с высотой над уровнем моря на Земле, где для каждой точки существует своё значение. В физике скалярным полем является, например, поле Хиггса, в отличие от других типов полей, таких как электромагнитное или гравитационное, которые являются векторными, спинорными или тензорными и обладают дополнительными характеристиками. В соответствии с квантовой теорией поля, для каждого поля существует соответствующая элементарная частица, которая обладает массой, зарядом, спином и другими параметрами. Для первичного скалярного поля предполагается существование гипотетической частицы инфлатона , которая, по теоретическим данным, имеет массу порядка 10^16 ГэВ и нулевой спин.

Неясно, существовало ли поле инфлатона с самого начала или оно возникло в момент разделения сильного и электрослабого взаимодействий в конце Эпохи Великого объединения. Этот вопрос остаётся открытым, поскольку события, происходившие во время Планковской эпохи, пока не поддаются точному предсказанию с помощью существующих теорий квантовой теории поля (КТП) и общей теории относительности (ОТО). Известно лишь, что на момент начала инфляции Вселенная имела размер порядка 10 ^-54 см и возраст 10 ^-37 секунды. В это время пространство было почти пустым, за исключением скалярного поля, находящегося в метастабильном состоянии ложного вакуума . Это состояние стремилось перейти в более стабильное состояние с нулевой энергией, называемое истинным вакуумом . Этот процесс можно сравнить с моментом, когда перехолодженная вода в процессе замерзания выходит из равновесия. Таким образом, по сути, начало инфляции было связано с быстрым охлаждением: благодаря быстрому расширению температура Вселенной уменьшилась примерно в 100000 раз — с 10 ²⁷ К до 10 ²² К.

В отличие от электромагнитного поля, в котором неоднородности (флуктуации) быстро устраняются благодаря короткому замыканию, в скалярном поле флуктуации могут существовать на протяжении значительного времени. Это происходит из-за высокого отрицательного давления (антигравитации), связанного с высокой плотностью и однородностью распределения энергии. Чем выше энергия инфлатона, тем сильнее флуктуации в поле. При этом квантовые флуктуации могут создавать «пузырь» с низким значением энергии. Существующее в поле отрицательное давление препятствует быстрому разряду таких флуктуаций. Пока потенциальная энергия такого пузыря падает, он успевает сильно разрастись.

Вселенная за чрезвычайно короткое время — всего 10 ^-35 секунд — увеличилась в диаметре в 10 ²⁸ раз и в объёме в 10 ⁷⁸ раз. Из состояния, близкого к планковским размерам, Вселенная превратилась в сверхплотный шарик диаметром всего 17 см. Этот процесс называют инфляцией . В некоторых моделях инфляция предшествует Большому взрыву, в других — является его «холодной» фазой. В ходе инфляции постоянная Хаббла имела значение от 10 ³⁶ до 10 ⁴² , а скорость расширения Вселенной значительно превышала скорость света. Это не противоречит теории относительности, поскольку никакая материя в пространстве не двигалась — именно само пространство расширялось. В то время элементарные частицы ещё не существовали, и если бы они и существовали, то они были бы разделены горизонтом, а значит, не взаимодействовали друг с другом, поскольку расстояние между ними было больше, чем расстояние, которое могла пройти информация (равное произведению скорости света и времени, равному возрасту Вселенной).

Откуда же берется энергия для образования всех частиц, составляющих наблюдаемую Вселенную, если инфлатон имел массу, сопоставимую с массой пылинки? Ответ заключается в том, что закон сохранения энергии не является обязательным для одного типа материи в условиях расширяющейся Вселенной. Когда давление вакуума положительно, плотность вещества падает по мере расширения Вселенной, и этот процесс идет по третьей степени, в то время как плотность излучения убывает по четвёртой степени. Например, при увеличении линейного размера Вселенной в 10 раз её объём увеличивается в 1000 раз, плотность вещества уменьшается в 1000 раз, а плотность излучения (включая реликтовое) падает в 10000 раз — фотоны не только рассеиваются в большом объёме, но также теряют энергию, покраснев.

Однако существует также гравитационная энергия, которая всегда отрицательна относительно массы-энергии. Это похоже на потенциальную энергию тела, находящегося на поверхности Земли, по сравнению с его нулевой энергией, если оно находится в космосе вдали от любых гравитационных полей. Данное положение было подтверждено в 1987 году Аланом Гутом в его книге «Инфляционная Вселенная». В 1995 году Винод Джохри доказал гипотезу о Вселенной нулевой энергии: полная энергия любой вселенной, описываемой метрикой Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера, равна нулю. Это означает, что закон сохранения энергии не нарушается, поскольку из нулевого состояния возникли как положительная масса, так и отрицательная гравитационная энергия, которые полностью компенсируют друг друга. В итоге сумма массы и гравитационной энергии Вселенной остаётся равной нулю. Как утверждает Алан Гут, "Если инфляция права, всё может возникать из ничего или, по крайней мере, из очень малого. Если инфляция права, Вселенная может быть названа, в конечном счёте, бесплатным обедом."

Во время инфляции напряжённость скалярного поля резко упала до почти нулевых значений, что привело к образованию «пузыря» истинного вакуума среди ложного вакуума. Это мгновенное раздувание пространства-времени вызвало значительное искривление пространства и появление большого количества отрицательной гравитационной энергии. Для компенсации этой энергии положительная энергия скалярного поля «выпадает» в виде элементарных частиц. Оставшаяся часть поля инфлатона затем преобразуется в поле Хиггса, которое придаёт этим частицам массу. Таким образом, в один момент из вакуума появляется 10⁵⁰ кг материи и соответствующее количество гравитационной энергии. Это приводит к разогреву Вселенной до температуры 10³² К и запуску фазы термализации, или «горячего» Большого взрыва. Инфляция завершается экспоненциально, и дальнейшее расширение Вселенной происходит по инерции. Однако остаётся ещё одна составляющая поля инфлатона — тёмная энергия, объём которой напрямую зависит от величины пустого пространства. Когда этого пространства становится достаточно, Вселенная начинает расширяться с ускорением.

Миф №9: Большой взрыв — событие уникальное и неповторимое.

У нас нет никаких доказательств, что Большой взрыв произошёл только один раз. В 1983 году Пол Стейнхардт предложил идею, что инфляция может завершаться не везде одновременно. Процесс инфляции может закончиться лишь в определённом локальном пузыре, заполняя его материей и излучением, в то время как в остальных частях Вселенной инфляция продолжится, создавая новые пузыри. Впоследствии, Александр Виленкин показал, что при учёте квантовых эффектов такой сценарий характерен для всех моделей «новой» инфляции. Даже если в какой-то области пространства инфляция замедляется, в другой области квантовые флуктуации могут оказаться достаточными для того, чтобы процесс инфляции продолжался. Пока в одном пузыре скалярное поле конденсируется в частицы, инфляция в соседних областях продолжается, останавливая расширение этого пузыря и создавая новые пузыри, которые начинают удаляться друг от друга на огромные расстояния. Таким образом, возникает невероятно большое пространство, в котором продолжается экспоненциальное расширение, а в отдельных участках появляются «островки», заполненные горячим веществом и излучением.

В 1986 году Андрей Линде расширил инфляционную космологию, представив свою теорию вечной хаотической инфляции. Она утверждает, что новые вселенные могут бесконечно образовываться из флуктуаций единого скалярного поля. Согласно этой теории, существует бесконечная мультивселенная (Андрей Линде использует термин «многоликая вселенная»), структура которой напоминает швейцарский сыр. В этой мультивселенной хаотично происходят вспышки скалярного поля, каждая из которых приводит к образованию нового пузыря вселенной и соответствующему локальному большому взрыву. Наша наблюдаемая вселенная — это всего лишь один из множества таких пузырей, в каждом из которых скалярное поле ведёт себя по-разному, создавая уникальные законы физики и различные значения фундаментальных констант. Например, различия в энергии поля Хиггса приводят к различным массам частиц, а варьирование космологической константы влияет на скорость расширения вселенной.

В локальных вселенных наблюдается снижение потенциала поля, что приводит к замедлению инфляции, однако в пространстве между ними скалярное поле находится в высокоэнергетичном состоянии. Здесь инфляция происходит с постоянным ускорением, что вызывает стремительное увеличение расстояний между новыми вселенными. За доли секунды это расстояние может увеличиться в 10⁵⁰ раз, при этом скорость удаления продолжает расти пропорционально расстоянию. Следовательно, взаимодействие между инфляционными вселенными становится невозможным, поскольку области с инфляцией оказываются значительно более обширными, чем те, где инфляция завершилась. Вечная инфляция ведет к образованию бесконечной мультивселенной, в которой только незначительный объем фрактально развивающихся пузырей истинного вакуума завершает инфляцию. «Трудно построить модели инфляции, которые не приводят к мультивселенной», — утверждает Алан Гут. Андрей Линде соглашается с ним: «Можно придумать модели инфляции, которые не допускают мультивселенную, но это сложно. Каждый эксперимент, который повышает доверие к инфляционной теории, приближает нас к намёкам на реальность мультивселенной».

Если наша Вселенная возникла из квантовой флуктуации, это неизбежно приводит нас к концепции инфляционной мультивселенной. В квантовой теории невозможно предсказать, какие из возможных состояний реализуются, можно только оценить их вероятности. Высокая вероятность связана с образованием вселенной размером с планковскую, которая затем быстро коллапсирует. Чем больше флуктуация, тем ниже её вероятность. Чтобы возникла вселенная, подобная нашей, требуется множество попыток. Таким образом, из вакуума возникает множество вселенных с разнообразными начальными состояниями. Большинство из них — это краткосрочные миры размером с планковский масштаб, составляющие своего рода «квантовую пену». Эти миры возникают постоянно в вакууме, но мы не успеваем с ними взаимодействовать. Несмотря на низкую вероятность возникновения крупных флуктуаций, в условиях бесконечного скалярного поля инфлатона такие события происходят постоянно, приводя к образованию пузырей истинного вакуума с независимым пространством-временем через квантовое туннелирование.

Миф №10. Инфляция и мультивселенная — недоказуемые и неопровержимые гипотезы

Статус теории инфляции остаётся спорным, однако она имеет все шансы быть подтверждённой или опровергнутой наблюдениями. Это даёт ей преимущество перед гипотезой о происхождении Вселенной из сингулярности, природа которой наука не может точно описать. Сверхгоризонтные флуктуации реликтового излучения, которые превосходят по размеру наблюдаемую вселенную, однозначно опровергают модель Большого взрыва с сингулярностью и поддерживают инфляционную модель. Поэтому большинство космологов считают её наиболее подходящей моделью зарождения Вселенной, основанной на имеющихся данных.

Однако, среди ученых есть и критики инфляционной теории. Например, Роджер Пенроуз утверждает, что инфляция требует гораздо более тонкой настройки начальных условий, чем модель Большого взрыва. По его расчетам, вероятность того, что Вселенная окажется в состоянии с такой низкой энтропией, составляет 1 к 10¹⁰¹²³. Поэтому мир без инфляции, по его мнению, более вероятен, чем мир с инфляцией. В ответ на это Андреас Альбрехт и Лоренцо Сорбо утверждают, что для запуска инфляции требуется гораздо меньше негравитационной энергии, чем для альтернативных моделей без инфляции, что делает вероятность инфляционного космоса гораздо выше.

Один из создателей инфляционной теории, Пол Стейнхардт, стал её главным критиком, утверждая, что теория предсказывает что угодно и её можно подогнать под любые данные. Это, по его мнению, снижает научную ценность инфляции и гипотезы мультивселенной. В условиях вечной инфляции бесконечное число пузырей может обладать свойствами, схожими с наблюдаемыми в нашей Вселенной, но бесконечное число таких пузырей не будет иметь этих свойств. Алан Гут выражает это следующим образом: «В мире с вечной инфляцией всё, что может случиться, случается, причём случается бесконечное число раз». Однако, чтобы теория была научной и обладала предсказательной силой, она должна предсказывать больше, чем параметры, которые она использует на входе. В случае с инфляционной теорией исходных параметров слишком много, а предсказания, которые она делает, ограничены, что делает её похожей на подгонку данных.

Действительно, факты, такие как однородность крупномасштабной структуры вселенной, космического микроволнового фона, скалярный спектральный индекс, который немного меньше единицы, отсутствие сохранения барионного числа и «плоское» пространство-время, являются наблюдаемыми характеристиками, которые объясняются теорией инфляции, но не предсказываются ею. Существует множество моделей инфляции, которые включают различные начальные условия и потенциальные энергии скалярного поля, и все они согласуются с имеющимися данными. В отличие от этого, теория новой циклической космологии, предложенная Стейнхардтом и Туроком как альтернатива инфляционной теории, утверждает, что до Большого взрыва существовала другая вселенная. Если это так, то она оставила бы заметный след в реликтовом излучении и в крупномасштабной структуре нашей вселенной, например, в виде повторяющихся узоров или концентрических кругов. Однако данные наблюдений, полученные с помощью спутников COBE, WMAP и Planck, не подтверждают наличие таких закономерностей. Реликтовое излучение наблюдается как хаотичное, что соответствует предсказаниям теории инфляции.

Теоретики струнной физики столкнулись с проблемой вывода основного состояния квантовых полей в рамках своей М-теории, и в результате пришли к выводу, что существует около 10⁵⁰⁰ метастабильных состояний, которые могут выглядеть как вакуумы в течение значительного периода времени, даже если они в конечном счете распадутся или перейдут в другие метастабильные состояния. Этот феномен называют ландшафтом теории струн. Согласно теории вечной инфляции, каждое из этих 10⁵⁰⁰ состояний вакуума может реализовываться в отдельных вселенных с уникальными физическими константами. Поскольку этих вселенных бесконечно много, среди них можно выделить 10³⁸⁰ вариантов, которые имеют наблюдаемую плотность энергии вакуума. Проблема состоит не в том, что хаотическая инфляция порождает бесконечное число вселенных, а в том, как правильно назначить вероятностное распределение для такого космологического ландшафта.

Более конкретные предсказания, которые могли бы подтвердить или опровергнуть теорию инфляции, касаются поляризации реликтового излучения, реликтовых нейтрино и первичных гравитационных волн. Электромагнитное излучение включает электрическую (Е) и магнитную (B) составляющие. В контексте поляризации фотонов выделяют Е-моды (градиентный режим без завихрений) и В-моды (вихревой режим без дивергенции). В первом случае частицы исходят из определенной точки, как, например, при рассеянии Товсона, во втором случае они закручиваются вправо или влево вокруг определенной точки, что может происходить при воздействии гравитационных волн. Е-моды поляризации реликтового излучения были зафиксированы в 2002 году с помощью интерферометра DASI и с тех пор активно исследуются в контексте связи с температурными флуктуациями (ET-корреляции). Поиски В-мод, максимальная амплитуда которых составляет всего лишь 0,1 мкК, пока не привели к конкретным результатам. В 2014 году эксперименты BICEP2 и POLARBEAR сообщили о возможных признаках вихревой поляризации реликтового излучения, но более глубокий анализ показал, что эти результаты могли быть вызваны шумом, исходящим от галактической пыли.

Другим способом проверки инфляционной теории является моделирование распада ложного вакуума в лабораторных условиях. В 2024 году международная группа ученых под руководством Иэна Мосса и Тома Биллама из Университета Ньюкасла смоделировала процесс образования пузырей распада ложного вакуума в специально подготовленной атомной системе. В качестве аналога метастабильного квантового поля был использован переохлажденный газ атомов лития, помещенный в магнитную ловушку. При температуре ниже микрокельвина газ переходил в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна, что соответствовало состоянию «ложного вакуума». Распад этого вакуума был инициирован термической активацией, и учёные наблюдали образование пузырей «истинного вакуума», в которых газ обладал другими физическими характеристиками. На следующем этапе планируется воспроизвести аналогичный процесс при температуре, близкой к абсолютному нулю, когда распад ложного вакуума происходит за счет квантового туннелирования.

В феврале 2025 года команда физиков под руководством профессора Златко Папича из Университета Лидса и доктора Яки Водеба из Исследовательского центра Юлиха успешно смоделировала процесс распада ложного вакуума с использованием квантового отжигателя D-Wave, который включает 5564 сверхпроводящих потоковых кубита. Применяя метод квантового отжига, заключающийся в плавном изменении магнитных полей, ученые могут приводить систему либо в энергетический минимум, либо направлять ее через энергетический барьер. Модель кубитов была запрограммирована таким образом, чтобы имитировать метастабильное состояние ложного вакуума. После чего систему аккуратно «толкнули», инициировав квантовый переход в истинное вакуумное состояние. В итоге на матрице кубитов сформировался «пузырь» истинного вакуума, который начал расти, поглощая ложный вакуум, что совпало с предсказаниями теоретических расчетов.

Миф №11. Вселенная не могла возникнуть сама по себе без участия Творца.

Некоторые теологи считают, что теория Большого взрыва подтверждает доктрину сотворения мира. Атеисты же утверждают, что до Большого взрыва не существовало ни времени, ни пространства, поэтому Вселенная не могла быть создана. Однако в действительности эти дискуссии бессмысленны, поскольку гипотеза о сотворении мира не поддается опровержению. Она согласуется с любыми космологическими моделями и наблюдениями. Согласно этой гипотезе, Творец мог либо запустить эволюцию Вселенной с самого начала через Большой взрыв, либо создать уже существующую Вселенную на любом этапе её развития — будь то 6000 лет назад или в прошлый четверг. Более того, Творец мог бы создать Вселенную любой формы: вечную, стационарную, циклическую, или даже мультивселенную. Также существуют философские концепции, которые предлагают более гибкие идеи, чем концепция монотеистического Бога. Например, пантеизм, отождествляющий Бога с природой и вселенной, или учение о Брахмане в индуизме, который воспринимается как абстрактный Абсолют, охватывающий всё возможное и невозможное.

Когда ученым задают вопрос: «Есть ли у Вселенной Создатель?», их ответы, как правило, предполагают, что существование Создателя возможно, но необязательно. Даже Стивен Хокинг утверждал: «В точке Большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, и поэтому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной». Таким образом, гипотеза о Творце рассматривается как одна из возможностей, но необязательная, согласно принципу бритвы Оккама. Законы физики позволяют возникать таким вселенным, как наша, без внешнего вмешательства, и этот сценарий кажется более вероятным. Однако остаётся вопрос: почему наша Вселенная имеет именно такие законы физики и значения фундаментальных констант? Ведь они могли бы быть другими, и тогда существование жизни и разума было бы невозможным. Это приводит нас к проблеме, которую называют тонкой настройкой. В следующей статье мы подробно рассмотрим этот вопрос. Пока же стоит отметить, что создание новых вселенных не представляет собой сложную задачу, и в будущем мы, вероятно, сможем освоить этот процесс. Возможно, наша Вселенная была создана не всемогущим Богом, а, скажем, учёным-экспериментатором из более высокоуровневой вселенной, как предполагает профессор Ави Лёб из Гарвардского университета.

На первый взгляд создание Вселенной может показаться неразрешимой задачей, требующей сверхразумных сил. Однако инфляционная теория предполагает, что этот процесс может быть не таким сложным. Для этого необходимо наличие энергии-массы и скалярного поля, которое может существовать в двух состояниях: основном (истинный вакуум) и метастабильном (ложный вакуум). Проблем с энергией-массой не должно возникнуть: от нескольких планковских масс (порядка 10^-5 г) до 100 кг, согласно теории хаотической инфляции. В 1990 году Эдвард Фархи, Алан Гут и Джемаль Гувен рассчитали, что для начала инфляции и образования вселенной с начальным радиусом около 10^-24 см и массой около 10 кг потребуется энергия порядка 10¹⁴ ГэВ, что является достижимой целью для коллайдеров.

Ситуация со скалярным полем более сложная. Из известных полей можно выделить поле Хиггса и гипотетическое поле тёмной энергии. Оба эти поля могут находиться в метастабильном состоянии и совершать переход в основное состояние. На данный момент единственный способ создать пузырь истинного вакуума — это разогреть ложный вакуум до критической температуры. Однако нам не хотелось бы, чтобы наш вакуум оказался ложным, а пузырь истинного вакуума поглотил бы всю нашу вселенную, изменив физические константы. Чтобы избежать этого, пространство-время внутри пузыря должно быть другим, чем в нашей Вселенной. Это различие возникнет из-за разницы в энергии вакуума, которая при переходе из ложного вакуума в истинный станет источником гравитационного поля для новой вселенной, сформировавшей собственное пространство-время и ушедшей за горизонт событий, навсегда исчезнув из нашей вселенной.

Как можно воспроизвести инфляцию в лабораторных условиях? В 1991 году Андрей Линде опубликовал статью «Сложное искусство создания Вселенной» в журнале Nuclear Physics B, в которой предложил гипотезу: созданная в ускорителе микроскопическая чёрная дыра может стать червоточиной, ведущей к дочерней вселенной, которая будет развиваться в отдельном пространственно-временном континууме. Однако планковская чёрная дыра испаряется чрезвычайно быстро, за время, сопоставимое с планковским временем. Для того чтобы она успела туннелировать в истинный вакуум, необходимо продлить её существование, используя сильное электромагнитное поле или отрицательную энергию, как это происходит между двумя пластинами в эффекте Казимира. При помощи отрицательного давления можно имитировать поле инфлатона и установить нужные параметры ложного вакуума, чтобы снизить барьер для туннелирования и ускорить переход в истинный вакуум до того, как чёрная дыра исчезнет.

Однако если нам удастся создать карманную вселенную, как можно будет отличить её от обычной чёрной дыры? Скорее всего, это будет невозможно. Более того, невозможно будет из внешнего мира проследить эволюцию этой вселенной или попытаться переместиться туда. Дочерняя вселенная будет отделена от нашей горизонтом событий, и мы не сможем извлечь из неё ни энергию, ни информацию. Единственный способ передать её обитателям знания — зашифровать их в физических константах или в соотношениях этих констант. Мы сможем настроить массы частиц, пропорции вещества и антивещества, скорость расширения, направление хода времени и другие параметры, однако трудно будет предсказать, будет ли эта вселенная пригодна для жизни. Всё будет зависеть от малейших колебаний давления, температуры и напряжённости поля инфлатона. Таким образом, нельзя исключать гипотезу, что наша вселенная также была создана в лаборатории более высокоразвитыми цивилизациями из вселенной более высокого уровня. Тем не менее, до сих пор мы не обнаружили никаких зашифрованных посланий от создателей нашей вселенной в параметрах Стандартной модели.

Лично я считаю, что гипотеза о формировании Вселенной через инфляцию из скалярного поля, содержащего бесконечное количество потенциальных миров, является гораздо более интересной, чем мистический акт творения или теории о создании Вселенной в лаборатории. Некоторые теории утверждают, что до начала инфляции Вселенная не обладала массой покоя, а её суммарная энергия была эквивалентна планковской массе. В этом случае Вселенная должна была состоять из однотипных частиц, движущихся с постоянной скоростью света. Существует гипотеза, что начальное скалярное поле ложного вакуума было тахионным, то есть частицы в нём двигались со сверхсветовой или даже бесконечной скоростью. Со временем это поле перешло в инфляционное состояние истинного вакуума, распавшееся на частицы с нормальной массой. Этот процесс называется тахионной конденсацией, и один из примеров её проявления — спонтанное нарушение электрослабой симметрии через механизм Хиггса. Тахионное поле невозможно наблюдать напрямую, поскольку его масса мнима, но философские размышления о его природе представляют интерес. Представьте себе мир застывшего света, где нет ни времени, ни пространства, и всё существует одновременно, как в платоновском вечном мире идей или описаниях небесной тверди в священных текстах.

Хронология Большого взрыва

Статья о теории Большого взрыва не будет полной без упоминания хронологии самого события. В принципе, её можно найти в любой энциклопедии, но для полноты картины приведём её здесь, добавив несколько слов о фазовых переходах, чтобы было легче понять происходящее.

По мере расширения и остывания Вселенной в её состоянии происходили фазовые переходы , аналогичные конденсации жидкости из газа или замерзанию воды. Снижение температуры приводит к вымораживанию степеней свободы частиц. Степени свободы системы — это независимые переменные, необходимые для её полного описания, то есть размерность пространства состояний системы. Каждая степень свободы имеет свою температуру вымораживания, которая равна энергии возбуждения, делённой на постоянную Больцмана. Это температурный диапазон, выше которого степень свободы считается включённой, то есть движение по ней возможно, а ниже — выключенной, когда степень свободы находится в основном состоянии. Энергия движения частиц в среднем равна kT, поэтому степени свободы с гораздо большей энергией возбуждения будут выморожены, и связанные с ними процессы не будут происходить.

1) Планковская эпоха (до 10⁻⁴³ с)

В промежутке времени менее планковского времени, на расстояниях, меньших планковской длины, и при температурах, превышающих 10³² К, все процессы во Вселенной остаются вне пределов действия современных физических теорий. В этот период должны были действовать законы квантовой гравитации, объединяющие все четыре фундаментальных взаимодействия.

2) Эпоха великого объединения (10⁻⁴³ – 10⁻³⁵ с)

При температуре порядка 10²⁹ К гравитация отделяется от трех других фундаментальных взаимодействий, которые в рамках Теории великого объединения объединяются в одну силу.

3) Электрослабая эпоха (10⁻³² с – 10⁻¹² с)

Разделение сильного и электрослабого взаимодействий в результате спонтанного нарушения симметрии инициирует космическую инфляцию. За очень короткий период времени наблюдаемая Вселенная расширяется с планковских размеров до радиуса 300 световых секунд, а температура снижается с 10²⁸ K до 10²² K. Эти события больше не являются гипотезой, а являются результатом наблюдений реликтового излучения и предсказаний, подтвержденных с помощью современных экспериментов, таких как те, что проводятся на Большом адронном коллайдере и других научных установках.

4) Кварковая эпоха (10⁻¹² с – 10⁻⁵ с)

При температуре порядка 10¹⁵ К (150 ГэВ) электрослабое взаимодействие распадается на два взаимодействия: электромагнитное (переносимое фотонами) и слабое ядерное (переносимое W+, W– и Z⁰-бозонами). Процесс инфляции завершается, и единое скалярное поле инфлатона распадается на различные частицы, такие как фотоны, лептоны, кварк-глюонная плазма и бозон Хиггса H₀, который придает массу фермионам. Эти события являются предельными энергиями, которые можно исследовать на Большом адронном коллайдере.

5) Бариогенезис (10 ⁻⁵ с ~ 1 с)

При температуре порядка 10 ¹² К кварк-глюонная плазма начинает конденсироваться в барионную плазму, в которой кварки уже не могут двигаться независимо. До примерно 0,1 секунды Вселенная в основном состояла из мюонов и пионов. В этот период возникли адроны, такие как протоны и нейтроны, а также произошла аннигиляция барион-антибарионных пар. Нарушение равновесия вещества и антивещества произошло в один миллиардную долю секунды. Это привело к формированию видимой части Вселенной, в то время как оставшаяся энергия преобразовалась в фотоны, которые составляют реликтовое излучение .

6) Лептонная эпоха (1 с ~ 10 с)

В течение первых 10 секунд Вселенная претерпела аннигиляцию лептонов с антилептонами. Этот процесс привел к тому, что Вселенная стала прозрачной для реликтовых нейтрино. При температуре порядка 10 ¹⁰ К нейтрино перестали рассеваться на барионах и свободно распространились по пространству. Радиус наблюдаемой Вселенной на этом этапе составлял примерно 10 световых лет.

7) Фотонная эпоха (10 с ~ 380 тыс. лет)

В течение первых 20 минут, пока температура Вселенной была аналогичной температуре в ядре звезды (от 10 ⁹ до 10 ⁷ К), прошла стадия первичного нуклеосинтеза . Примерно 20% протонов образовали ядра гелия, а также были образованы небольшие количества ядер дейтерия и лития. Когда барионы начали объединяться в атомные ядра, их движение прекратилось, а свободные протоны и нейтроны стали частью атомных ядер. Несмотря на плотность барионной материи около 4 г/м3, большая часть энергии вселенной была сконцентрирована в электромагнитном излучении. Радиус наблюдаемой Вселенной на этом этапе составлял около 300 световых лет.

8) Рекомбинация (180 тыс. ~ 380 тыс. лет)

Когда температура Вселенной снизилась до 4000 К, произошло событие, известное как рекомбинация водорода: протоны объединились с электронами, образовав нейтральные атомы. В этот момент вымораживание независимого движения атомных ядер и электронов стало окончательным, и Вселенная стала прозрачной для реликтового излучения. Радиус Вселенной составил 42 миллиона световых лет, а плотность барионного вещества достигла 500 миллионов атомов на кубический метр. Этот этап знаменует начало эры доминирования материи, которая оказала значительное влияние на гравитационное поведение Вселенной.

9) Тёмные века (380 тыс. ~ 200 млн лет)

Этот период часто называют тёмными веками , так как единственным источником света было реликтовое излучение, которое постепенно смещалось в инфракрасную часть спектра. Вселенная в этот период состояла в основном из водорода, гелия и темной материи. Примерно через 10 миллионов лет после Большого взрыва реликтовое излучение остывало до комнатной температуры, а затем продолжало охлаждаться до 60 К. В этих условиях атомы начали объединяться в молекулы, что привело к вымораживанию независимого движения атомов. Однако, несмотря на это, сохранялись их тепловые колебания в рамках химических связей молекул.

10) Эпоха реионизации (200 млн лет ~ 1 млрд лет)

В промежуток времени между 200 и 400 млн лет назад начали образовываться первые звезды (популяции III), состоящие исключительно из водорода и гелия. Эти звезды были массивными и через несколько миллионов лет взрывались сверхновыми, что приводило к обогащению окружающего космоса тяжёлыми элементами. Примерно 380 млн лет назад появились первые известные галактики. Температура реликтового излучения снизилась с 60 до 19 К. В таких условиях многие газы переходили в жидкое или твёрдое состояние, что приводило к вымиранию независимого движения молекул. Тем не менее, сохранялись их коллективные колебания, которые можно интерпретировать как звуковые волны.

В это время вещество под воздействием гравитации начало собираться в галактики. В центрах галактик образовывались сверхмассивные чёрные дыры. Через 600 млн лет начали появляться первые квазары. Излучение этих объектов привело к процессу реионизации межзвёздного газа. Начиная с 1 млрд лет, галактики начали объединяться в группы, с 3 миллиардов лет — в скопления, а с 5 миллиардов лет — в сверхскопления. В этот период Вселенная продолжала расширяться с замедлением, постепенно охлаждаясь до нынешней температуры в 2,7 К. В космосе остались лишь низкочастотные звуковые волны и слабые тепловые колебания молекул и атомов, которые вымораживаются только при температуре 0 К.

11) Эпоха тёмной энергии (7.8 млрд лет – настоящее время)

Около 5 миллиардов лет назад Вселенная пережила «джерк» — переход к ускоренному расширению. До этого времени гравитация материи преобладала в космосе, однако с момента этого перехода, когда плотность материи стала значительно снижаться, на передний план вышла энергия вакуума. В этот период сформировалась наша Солнечная система. В настоящее время постоянная Хаббла, которая характеризует скорость расширения Вселенной на единицу расстояния, составляет около 70 км/с на мегапарсек (мпк) (мегапарсек равен 3 260 000 световых лет).

В наблюдаемой Вселенной существует порядка триллиона галактик, и только 3% из них находятся в пределах досягаемости. Это означает, что мы сможем достичь этих галактик до того, как их скорость удаления превысит скорость света. Через 100 миллиардов лет реликтовое излучение практически остынет до абсолютного нуля, и все галактики, кроме местной группы, окажутся за пределами космологического горизонта. Все следы Великого взрыва исчезнут, и космологи будущего не смогут узнать о его существовании. В свою очередь, уже сейчас, благодаря ускоренному расширению, от 30 до 50% галактик, которые раньше находились в пределах наблюдаемой Вселенной, ушли за космологический горизонт. Остальные, за исключением Андромеды и спутников Млечного пути, исчезнут в течение 100 миллиардов лет. Возможно, какие-то данные о начальном состоянии Вселенной были утеряны, что затрудняет понимание того, что происходило до Великого взрыва. Однако, благодаря карте реликтового излучения, мы имеем чёткие ограничения относительно возможных событий до Великого взрыва. Это даёт нам значительное преимущество по сравнению с будущими космологами.

Наблюдения «Джеймса Уэбба» и «кризис» космологии

В последние три года, с момента запуска космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST), было сделано множество значительных открытий, и поток новых данных продолжает расти. Инфракрасный телескоп был создан специально для поиска самых ранних галактик и первых звёзд. Он обнаружил галактики, существовавшие всего через 200-300 млн лет после Великого взрыва, что привело к пересмотру предыдущих представлений о тёмных веках Вселенной. Однако, ещё большим сюрпризом стали «маленькие красные точки» — компактные, яркие галактики с высокой плотностью звёзд, которые возникли всего через 600 млн лет после Великого взрыва. Вскоре было установлено, что эти объекты являются быстро вращающимися квазарами с молодыми сверхмассивными чёрными дырами, что невозможно было бы объяснить их формированием путём слияния чёрных дыр звёздной массы.

В дополнение к этому, среди открытых объектов, возраст которых превышает 13 миллиардов лет, были найдены галактики, которые по массе в 2-3 раза превосходят наш Млечный путь и имеют сложную структуру с относительно старыми звездами второго поколения. Совсем недавно «Джеймс Уэбб» зафиксировал доказательства окончания реионизации в галактике, возраст которой составляет 300 миллионов лет после Великого взрыва, в то время как стандартные модели предсказывали, что этот процесс начнётся позже.

Открытия, сделанные телескопом «Джеймс Уэбб», вызвали значительный резонанс в научном сообществе. Стандартная космологическая модель предсказывала, что первые звезды и галактики начали формироваться не раньше 400 млн лет после Великого взрыва. В это время тёмная материя уже начала создавать крупномасштабные структуры Вселенной, а гравитация собирала холодный газ в плотные облака. Эти облака из водорода и гелия сжимались, запускали термоядерные реакции и образовывали первые звезды, которые взрывались сверхновыми, и создавали чёрные дыры звёздной массы. Однако «Джеймс Уэбб» обнаружил чёрные дыры с массой в десятки миллиардов солнечных масс в компактных галактиках, которые содержат до 100 миллиардов звёзд.

Подобные открытия стали источником беспокойства для сторонников традиционных космологических теорий, которые утверждают, что уже через 100 миллионов лет после Великого взрыва Вселенная была устроена аналогично современной. Это породило дискуссии о возможном кризисе космологии и предположениях о том, что стандартная космологическая модель не работает. Однако стоит отметить, что такие выводы требуют более глубокой проверки и тщательной переработки теоретических моделей, основанных на новых данных.

На самом деле «Джеймс Уэбб» не опроверг теорию Большого взрыва, как утверждают некоторые сторонники альтернативных теорий. Напротив, данные, полученные с помощью телескопа, лишь подтверждают её, несмотря на популяризацию ложных трактовок и теорий заговора. Это объясняется тем, что в общественном поле зрения находятся в основном лишь аномальные наблюдения, в то время как большая часть данных, которые подтверждают Стандартную модель ΛCDM, остаётся вне внимания СМИ. «Джеймс Уэбб» ясно показал, что ранняя Вселенная была намного более экстремальной, чем предполагалось ранее. В нынешнее время, плотность газа в галактиках, таких как наша, уже недостаточна для активного формирования звёзд и питания квазаров. Эти процессы сейчас наблюдаются в основном только при слиянии галактик. В то время как взрывы сверхновых, столкновения нейтронных звёзд и выбросы релятивистских джетов чёрными дырами происходят значительно реже, чем в ранней Вселенной, что позволяет нам существовать до сих пор. Все эти наблюдения прекрасно вписываются в устоявшуюся картину космологической эволюции. Безусловно, научные модели формирования галактик и сверхмассивных чёрных дыр требуют пересмотра, чтобы объяснить, как эти объекты могли нарастить свою массу с такой скоростью. Однако у нас уже есть гипотеза о прямом коллапсе массивных газовых облаков в чёрные дыры без промежуточных стадий звёздной эволюции. Также существует предположение, что звёздообразование на ранних этапах не происходило непрерывно, а возникало в виде коротких вспышек, когда новые звезды появлялись одновременно по всему объёму галактики, что значительно увеличивало её яркость.

Вывод

Теория Большого взрыва является частью Стандартной космологической модели, которая описывает не сам взрыв, а его последствия. В то время как теорию инфляции, которая объясняет события до Большого взрыва, ещё предстоит экспериментально подтвердить, она имеет все шансы на успех. На данный момент можно утверждать, что Вселенная почти наверняка возникла в ходе инфляционного процесса, однако какая именно инфляционная модель имела место, пока не известно. В любом случае, все попытки объяснить наблюдаемые данные приводят к выводу о существовании инфляции, а инфляция, в свою очередь, приводит к концепции космологической мультивселенной, частью которой является наша локальная вселенная со своими уникальными физическими константами.

С момента Большого взрыва прошло уже 13,8 миллиарда лет — время, которое для нас кажется колоссальным, но для Вселенной это лишь начальный этап её существования. Мы находимся в эпохе, когда температура в космосе не слишком высока и не слишком низка, что позволяет из вещества, образованного в процессе Большого взрыва, формироваться сложным структурам, таким как галактики, звезды, планеты и другие астрономические объекты. Все эти объекты обладают уникальностью, однако, согласно космологическому принципу, Вселенная остаётся однородной и изотропной, то есть она выглядит одинаково для любого наблюдателя, независимо от его положения в пространстве. Эволюция Вселенной продолжается, и на современном этапе науки возможно не только реконструировать её прошлое, но и предсказать будущее. В будущих статьях мы рассмотрим теоретические подходы, которые могут объединить все типы мультивселенных в одну теорию, исследуем неизбежность появления жизни и разума, а также выясним, какую роль в этом процессе играют такие явления, как тёмная материя, тёмная энергия, гравитация и энтропия.