Что такое Большой отскок

Пытаясь понять, какова природа Вселенной, как она зародилась и что ее ждет в будущем, ученые порой строят необычные гипотезы и модели, такие как, например, теория Большого отскока.

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».
 

Анимация Большого отскока / © Quanta Magazine

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.