Физикам-теоретикам и космологам приходится искать ответы на самые фундаментальные вопросы: «Почему мы здесь?», «Когда появилась Вселенная?» и «Как это произошло?» Однако несмотря на очевидную важность поиска ответов на эти вопросы, есть вопрос, который затмевает их всех своим интересом: «Что было до Большого взрыва?».
Скажем откровенно: мы не можем ответить на этот вопрос. Никто не может. Но ведь никто не запрещает порассуждать на эту тему и рассмотреть несколько интересных предположений? С этим согласен, например, Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института. В прошлом месяце Кэрролл принимал участие на проходящей два раза в год встрече Американского астрономического сообщества, где он предложил несколько «предвзрывных» сценариев, чьим «финальным аккордом» могло бы стать появление нашей Вселенной. Опять же, это всего лишь рассуждения, а не теории, поэтому просим это учитывать.
«В то время, если можно так выразиться, еще не действовало тех законов физики, которые нам известны, потому что «тогда» их еще не существовало», — говорит Кэрролл.
«Когда физики говорят, что понятия не имеют, что тогда происходило, они говорят это на полном серьезе. Этот отрезок истории находится в абсолютно непроглядной тьме», — соглашается Питер Войт, физик-теоретик Колумбийского университета.
Одним из самых странных свойств нашей Вселенной является то, что она обладает очень низким уровнем энтропии. У этого термина имеется множество интерпретаций, но в данном случае речь идет о степени неупорядоченности. И в случае со Вселенной порядка в ней больше, чем беспорядка. Представьте себе бомбу, заполненную песком. Бомба взрывается, и содержащиеся в ней миллиарды миллиардов песчинок разлетаются в разные стороны – перед вами по сути макет Большого взрыва.
«Только вместо ожидаемого хаотичного разлета эти песчинки, представляющие материю нашей Вселенной, немедленно превращаются во множество готовых «песчаных замков», образовавшихся непонятно каким образом и без посторонней помощи», — говорит Стефан Кантримен, аспирант Колумбийского университета.
Результатом Большого взрыва могло (и, возможно, должно было) стать появление высокого уровня энтропии массы в виде неравномерно распределенной материи. Однако вместо этого мы видим звездные системы, галактики и целые галактические скопления, объединенные между собой. Мы видим порядок.
Помимо этого, важно понимать, что энтропия, или неупорядоченность, со временем могут лишь увеличиваться – тот же песчаный замок рано или поздно и без посторонней помощи снова распадется на множество песчинок. Более того, как указывает Кэрролл, наше наблюдение за временем напрямую взаимосвязано с уровнем энтропии с самого появления Вселенной. При этом саму энтропию можно рассматривать как некое времязависимое физическое свойство, обладающее только одним направлением хода – в будущее.
Итак, энтропия, согласно законам физики, может только возрастать, однако нынешний ее уровень во Вселенной очень низок. По мнению Кэрролла, это может означать лишь одно: ранняя Вселенная обладала еще меньшим ее уровнем, то есть Вселенная должна была быть еще более организованной и упорядоченной. А это, в свою очередь, может наталкивать на мысль о том, что же было с нашей Вселенной собственно до самого Большого взрыва.
«Есть множество людей, считающих, что ранняя Вселенная была очень простой, неинтересной и невыразительной системой. Однако как только вы подключаете к этому вопросу энтропию, то перспектива тут же меняется, и вы понимаете, что в таком случае появляются вещи, которые необходимо объяснить», — продолжает Кэрролл.
Если даже отбросить в сторону энтропию, то перед нами останутся и другие не менее важные аспекты, которые необходимо каким-то образом подстроить под нашу нынешнюю Вселенную, в которой мы живем. Более того, в некоторых случаях низкий уровень энтропии кажется менее значимым, чем в других. Поэтому попытаемся рассмотреть три наиболее популярных предположения о том, что могло происходить со Вселенной до Большого взрыва.
Модель «Большого отскока»
Согласно одной из гипотез, низкий уровень энтропии нашей Вселенной связан с тем, что ее появление само по себе стало результатом распада некоей «предыдущей» Вселенной. В этой гипотезе говорится, что наша Вселенная могла образоваться в результате стремительного сжатия («отскока»), управляемого сложными эффектами квантовой гравитации (сингулярностью), в свою очередь, породившими Большой взрыв. В свою очередь, это может говорить о том, что мы с одинаковым успехом можем жить как в любой точке бесконечной последовательности возникающих Вселенных, так и, наоборот, в «первой итерации» Вселенной.
Данную гипотетическую модель появления Вселенной еще иногда называют моделью «Большого отскока». Первое упоминание этого термина звучит еще в 60-х, однако в более-менее сформированную гипотезу эта модель превратилась лишь 80-х – начале 90-х годов.
Среди менее значимых спорных моментов, у модели «Большого отскока» есть и явные недостатки. Например, идея коллапса в сингулярность противоречит общей теории относительности Эйнштейна – правилам, согласно которым работает гравитация. Физики считают, что эффект сингулярности может существовать внутри черных дыр, однако известные нам физические законы не могут предоставить нам механизм, позволяющий объяснить, почему «другая Вселенная», достигнув сингулярности, должна породить Большой взрыв.
«В общей теории относительности нет ничего, что указывало бы на «отскок» новой Вселенной в результате сингулярности», — говорит Шон Кэрролл.
Однако это не единственный большой спорный момент. Дело в том, что модель «Большого отскока» подразумевает наличие прямолинейного хода времени со снижающейся энтропией, однако, как говорилось выше, энтропия со временем только увеличивается. Другими словами, согласно известным нам законам физики, появление отскакивающей Вселенной невозможно.
Дальнейшее развитие модели привело к появлению гипотезы о том, что время во Вселенной может являться циклическим. Но при этом модель до сих пор не в состоянии объяснить, каким образом идущее в настоящее время расширение Вселенной сменится её сжатием. И все же это необязательно означает, что модель «Большого отскока» совершенно ошибочна. Вполне возможно, что наши нынешние теории о ней просто несовершенны и не до конца продуманы. В конце концов, физические законы, которые мы сейчас имеем, были выведены с учетом лимита, согласно которому мы способны наблюдать за Вселенной.
Модель «Спящей» Вселенной
«Возможно, до Большого взрыва Вселенная представляла собой некое очень компактное, медленно эволюционирующее статичное пространство», — теоретизируют такие физики, как Курт Хинтербихлер, Остин Джойс и Джастин Хури.
Эта «предвзрывная» Вселенная должна была обладать метастабильным состоянием, то есть быть стабильной до того момента, пока не появится еще более стабильное состояние. По аналогии представьте обрыв, на краю которого в состоянии вибрации находится валун. Любое касание до валуна приведет к тому, что он сорвется в пропасть или — что ближе к нашему случаю – произойдет Большой взрыв. Согласно некоторым теориям «предвзрывная» Вселенная могла существовать в ином виде, например, в форме сплюснутого и очень плотного пространства. В итоге этот метастабильный период подошел к концу: она резко расширилась и приобрела форму и состояние того, что мы видим сейчас.
«В модели «спящей» Вселенной, однако, тоже имеются свои проблемы», — говорит Кэрролл.
«Она тоже предполагает наличие у нашей Вселенной появления низкого уровня энтропии и при этом не объясняет, почему это так».
Однако Хинтербихлер, физик-теоретик из Университета Кейс Вестерн Резерв, не считает появление низкого уровня энтропии проблемой.
«Мы просто ищем объяснение динамики, происходившей до Большого взрыва, которая объясняет, почему мы видим то, что мы видим сейчас. Пока это лишь единственное, что нам остается», — говорит Хинтербихлер.
Кэрролл, тем не менее, считает, что есть еще одна теория «предвзрывной» Вселенной, которая способна объяснить низкий уровень энтропии, имеющийся в нашей Вселенной.
Модель «Мультивселенной»
Появление новых вселенных из «родительской Вселенной»
Гипотетическая модель Мультивселенной избегает недомолвок, связанных со снижением энтропии, как в случае с моделью «Большого отскока», и дает объяснение ее низкого уровня сегодня, говорит Кэрролл. Она берет свое начало из идеи об «инфляции» — хорошо принятой, но неполной модели Вселенной. Термин «инфляция» и первое объяснение этой модели были предложены 1981-м году физиком Аланом Гутом, в настоящий момент работающим в Массачусетском технологическом институте. Согласно данной модели, пространство после Большого взрыва резко расширилось. Настолько резко, что скорость этого расширения оказалась выше скорости света. Согласно квантовой механике, в космосе постоянно происходят случайные, едва заметные колебания энергии. В какой-то момент инфляционного периода пики этих колебаний достигли своего максимума и стали причиной появления галактик, пустот и крупномасштабных низкоэнтропийных структур, которые мы сегодня и наблюдаем во Вселенной.
Сама инфляционная модель была разработана на базе наблюдений за космическим реликтовым микроволновым излучением – самым древним типом излучения, появившимся спустя всего несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Ученые считают, что инфляционная модель отлично предсказывает его существование.
Согласно одному из предположений, мультивселенная может являться результатом инфляции. В предположении говорится о том, что существует некая одна очень-очень большая Вселенная, время от времени порождающая более компактные вселенные. При этом никакая форма коммуникации между этими вселенными невозможна. Маркус Ву из PBS Nova объясняет:
«В начале 80-х годов физики пришли к мнению, что инфляция может обладать природой бесконечности, останавливаясь лишь в некоторых регионах космоса, создавая некие закрытые «карманы». Однако между этими «карманами» инфляция продолжается, и протекает она быстрее скорости света. В свою очередь, изолированные друг от друга «карманы» со временем становятся Вселенными».
Кэрроллу импонирует больше всего именно эта модель, хотя его собственная предложенная модель несколько отличается от того, что описано выше:
«Это лишь одна из версий теории о мультивселенной, однако основным отличием здесь является то, что «родительская Вселенная» может обладать высоким уровнем энтропии и порождает вселенные с низким ее уровнем», — говорит Кэрролл.
Согласно данной модели, до Большого взрыва было некое большое расширяющееся пространство, из которого родились наша и бесконечное множество других вселенных. Другие вселенные находятся за пределами наших возможностей их обнаружения и могли образоваться как до, так уже и после нашей Вселенной.
Следует отметить, что на данный момент это одна из самых популярных моделей. Тем не менее ученые, разумеется, по-разному ее воспринимают. Одни поддерживают эту идею, другие, наоборот, совершенно с ней не согласны. Но если брать в пример Питера Войта из Колумбийского университета, то теория Мультивселенной хоть и выглядит очень привлекательной с научно-популярной точки зрения, но способна сделать физиков ленивыми и заставить прекратить поиск ответов на самые базовые вопросы, например, — почему физические константы в нашей Вселенной именно такие, какие они есть, — списав все на вариативность.
«Теоретики размышляют по поводу возможности существования бесконечного числа Вселенных, и в конечном итоге мы можем прийти к четким моделям, способным объяснить, почему значения (вроде фундаментальных свойств наблюдаемых нами частиц) могут отличаться друг от друга в каждой отдельно взятой Вселенной», — говорит Войт.
Войт опасается, что однажды основным вопросом для науки в этой сфере станет рассуждение на тему «как нам повезло оказаться в этой случайной Вселенной, где все происходит так, а не по-другому, несмотря на бесконечное многообразие возможностей, поэтому давайте бросим эту затею с теориями».
Какой можно подвести итог? Многие физики получают деньги за то, что спорят и пишут книги, в которых стараются описать, как Большой взрыв и модель «предвзрывной» Вселенной способны объяснить то, что мы видим сегодня, хотя сами при этом не знают и на самом деле не могут знать, почему это так. Факт в том, что даже несмотря на серьезные упрощения как в математических моделях, так и объяснениях, мы не приблизились к верному ответу, и нам предстоит провести еще множество рассуждений на эту тему, пока не придем к нужному результату.
«Важно не только выдвигать теории и гипотезы. Куда важнее дать понять людям, что на самом деле мы пока сами не понимаем, о чем говорим. Все это пока лишь на уровне предположений, но я надеюсь, что рано или поздно мы сможем найти нужный ответ, который устроит всех», — говорит Кэрролл.