Вселенная до Большого взрыва¶
Вселенная до Большого взрыва — совокупность гипотез, описывающих состояние и события, предшествовавшие моменту t = 0 в стандартной космологической модели ΛCDM. Согласно общей теории относительности, Большой взрыв обозначает начало расширения пространства-времени, а не взрыв вещества в предсуществующем пространстве; вопрос о том, что было «до» него, в строгом смысле не имеет однозначного ответа, поскольку само понятие времени, как предполагается, возникло вместе с пространством-временем. Тем не менее в космологии и физике высоких энергий существуют несколько подходов к описанию предвзрывного состояния.
¶Статус вопроса в современной физике
В общей теории относительности Большой взрыв — это сингулярность: точка, в которой кривизна пространства-времени и плотность энергии неограниченно растут, а законы физики, известные науке, перестают быть применимы. Время в классическом понимании возникает вместе с расширением, поэтому фраза «до Большого взрыва» в рамках этой модели бессмысленна подобно тому, как бессмыслен вопрос «что находится севернее Северного полюса».
Однако сингулярность в общей теории относительности рассматривается многими физиками как признак неполноты теории, а не как реальное физическое состояние. Для описания эпох, когда плотность энергии приближается к планковской (≈ 10⁹³ г/см³), требуется квантовая гравитация — теория, объединяющая общую теорию относительности и квантовую механику. Полностью сформулированной такой теории пока не существует.
¶Основные гипотезы
¶Квантовая флуктуация вакуума
Одна из гипотез, связанная с работами Алексея Виленкина и Александра Виленкина (Александр Виленкин — американский физик российского происхождения), предполагает, что Вселенная возникла как квантовая флуктуация вакуума. Вакуум в квантовой теории поля не является пустотой: в нём постоянно происходят виртуальные процессы. Согласно этой модели, из «ничего» — вакуума с нулевой энергией — могла возникнуть пузырь пространства с положительной энергией, компенсируемой отрицательной гравитационной энергией. Модель допускает, что подобных «детёнышей» (baby universes) могло возникнуть бесконечно много, а наша Вселенная — лишь один из них.
¶Циклические модели
Циклические модели предполагают, что Большой взрыв — не единичное событие, а звено в череде эпох расширения и сжатия. Классическая идея принадлежит Рихарду Толману (1930-е годы), а в современной форме она развита в модели «ekpyrotic universe» Пола Стейнхарта и Нила Турока (2001), а также в модели циклического хаотического инфляции Андрея Линде. В модели Стейнхарта — Турока предшествующая Вселенная существовала как четырёхмерная «мембрана» в многомерном пространстве; столкновение мембран породило горячее состояние, которое мы наблюдаем как Большой взрыв. После расширения мембраны вновь сближаются, и цикл повторяется.
¶Инфляционная парадигма
Стандартная космологическая модель включает эпоху космической инфляции — сверхбыстрого (экспоненциального) расширения пространства за 10⁻³⁶–10⁻³² секунды после t = 0. Инфляция объясняет однородность и плоскость наблюдаемой Вселенной, а также происхождение первичных флуктуаций, из которых впоследствии сформировались галактики. Вопрос о том, что вызвало инфляцию, остаётся открытым: гипотетическое поле-инфлатон могло существовать и до Большого взрыва, либо инфляция могла быть частью более масштабного процесса.
¶Стефанос Харнидис и другие подходы
Существуют и более экзотические предложения. Физик Стефанос Харнидис (Stefanos Harinadas) и другие исследователи рассматривали модели, в которых предвзрывное состояние описывается квантовой гравитацией на планковской шкале. Идея «безвременного» (timeless) квантового состояния, из которого «вытекает» макроскопическое время, обсуждается в контексте квантовой космологии (например, в работах Джеймса Хартла и Стивена Хокинга — «безграничное предложение», wave function of the universe).
¶Модель Хартла — Хокинг
В 1983 году Джеймс Хартл и Стивен Хокинг предложили волновую функцию Вселенной, описывающую состояние квантовой гравитации без границы в прошлом. Согласно их формулировке, близко к «времени Большого взрыва» время как таковое утрачивает свойства, различающие его от пространственных координат, и Вселенная не имеет ни начала, ни границы в обычном смысле. Эта модель не отвечает на вопрос «что было до», но показывает, что вопрос может быть переформулирован в терминах квантовой гравитации.
¶Наблюдательные ограничения
Прямое наблюдение эпох, предшествовавших Большому взрыву, невозможно: электромагнитное излучение, испущенное в первые 380 000 лет (до рекомбинации), было рассеяно, а гравитационные волны от эпохи инфляции, если они существуют, ещё не зарегистрированы напрямую (миссия BICEP/Keck и наземные детекторы LIGO/Virgo работают в других диапазонах). Космологические модели о предвзрывном состоянии проверяются косвенно — по спектру реликтового излучения, распределению галактик и величине параметра уравнения состояния инфляции.
¶История вопроса
Идея о том, что Вселенная имеет начало, была впервые обоснована в работах Александра Фридмана (1922) и Жоржа Леметра (1927), а термин «Большой взрыв» ввёл в оборот Фред Хойл в 1949 году, первоначально иронически. Вопрос о предвзрывном состоянии обсуждался ещё в античной философии (Аристотель — «вечность» мира), но получил строгую физическую постановку только после создания общей теории относительности и открытия расширения Вселенной Эдвином Хабблом в 1929 году.
¶Источники
- Линде А. Д. «Новые идеи в космологии»
- Хокинг С. «Краткая история времени»
- Хартл Дж., Хокинг С. «Wave function of the Universe» (Physical Review D, 1983)
- Виленкин А. «Many Worlds in One: The Search for Other Universes»
- Стейнхарт П., Турок Н. «A Cyclic Model of the Universe» (Science, 2002)
- Коллектив авторов. «Оксфордская энциклопедия космологии»
- Долгов А. Д., Зельдович Я. Б. «Космология ранней Вселенной»