Пять мифов о Большом взрыве

Вселенная была бесконечно малой точкой, которая затем взорвалась, и вещество устремилось в пространство. Именно так многие представляют себе Большой взрыв. Но ученые разгромили бы такое описание в пух и прах. Двое физиков рассуждают о самых распространенных заблуждениях о происхождении вселенной.

Вся вселенная была сведена в бесконечно малую точку, которая затем взорвалась, и вещество устремилось в пространство.

В этом утверждении неверно все, говорят астрофизики.

«Теорию Большого взрыва представлять себе надо совсем не так», — рассказывает профессор Торстен Брингманн (Torsten Bringmann). Он занимается космологией и физикой астрочастиц в Университете Осло.

Профессор и физик-теоретик Аре Раклев (Are Raklev) из Университета Осло замечает, что многие описания создают неправильное представление о теории Большого взрыва.

Раклев и Брингманн разбирают для нас самые распространенные заблуждения.

Плотнее и горячее

Во-первых, что на самом деле имеется в виду под Большим взрывом?

«Теория Большого взрыва заключается в том, что вселенная около 14 миллиардов лет назад была в намного более горячем и плотном состоянии, и она расширялась. Вот и все, не более того», — объясняет Раклев.

Космос все время расширялся и становился холоднее.

Основываясь на этой теории, ученые получили хорошее представление об истории вселенной: например, о том, когда появились элементарные частицы и когда образовались атомы, звезды и галактики.

Мы хорошо знаем, что случилось с вселенной в возрасте примерно 10-32 секунды. Это значит 0,0000000000000000000000000000000001 секунды, согласно статье астрофизика Йостейна Рисера Кристиансена (Jostein Riiser Kristiansen).

Перейдем к мифам.

1. «Это был взрыв»

Само словосочетание «Большой взрыв» звучит так, словно что-то сдетонировало, говорит Аре Раклев. Но это не слишком удачное описание произошедшего. Почему? Скоро узнаете.

В начале 1920-х годов математик Александр Фридманн (Aleksander Friedmann) обнаружил, что общая теория относительности Эйнштейна предполагает расширение вселенной. К такому же выводу пришел бельгийский священник Жорж Леметр (Georges Lemaître).

Вскоре Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) продемонстрировал, что галактики действительно удаляются друг от друга.

Галактики удаляются от нас. Свет от них подвержен красному смещению — то есть его волны стали длиннее и передвинулись к красной стороне спектра. Мало того, галактики все быстрее исчезают из нашего поля зрения.

Однажды почти все галактики, которые мы видим сегодня в телескопы, исчезнут с нашего неба. В конце концов звезды погаснут, и наблюдателю останется вечно темное и пустынное небо.

К счастью, до этого еще очень и очень далеко.

Эту историю можно отмотать и в обратную сторону. Сейчас галактики расходятся, но когда-то они были гораздо ближе друг к другу.

«Если взять наблюдаемую вселенную и перемотать историю назад, все уместится на очень маленькой площади», — говорит Раклев.

Вот мы и подошли к моменту Большого взрыва. Так что же произошло?

Легче всего представить, будто Большой взрыв был обычным взрывом, в результате которого вещество разлетелось в разные стороны, словно куски дерева после попадания ручной гранаты.

«Но во время Большого взрыва в разные стороны разлетелось вовсе не вещество, — говорит Раклев. — Расширяется сама вселенная, само космическое пространство».

2. «Вселенная расширяется в чем-то»

Не галактики убегают друг от друга — это само пространство расширяется.

Представьте себе шар из теста с изюмом. Тесто — это пространство, а изюм — галактики. Тесто начинает подниматься, и изюминки оказываются все дальше друг от друга, но сами они фактически не двигаются.

Торстен Брингманн приводит в пример поверхность воздушного шара. Нарисуйте на ней точки и посмотрите, как расстояние между ними будет увеличиваться по мере надувания.

«Однако правда и то, что галактики движутся также в результате взаимного гравитационного притяжения — это дополнительный эффект», — говорит Раклев.

Для света от нескольких галактик характерно голубое смещение — это значит, что они движутся к нам. Это касается некоторых близлежащих галактик. Но на больших расстояниях этот эффект перекрывается законом Хаббла: скорость, с которой галактики удаляются друг от друга, возрастает пропорционально расстоянию. Выходит, расстояние увеличивается быстрее, чем свет успевает пройти между двумя расположенными очень далеко друг от друга точками.

Ну хорошо, шар из теста расширяется в пространстве внутри духовки. А как насчет вселенной? Что там, за ее пределами?

Вселенная расширяется ни в чем. Ученые не думают, что у нее есть какой-то «край».

То, что называется наблюдаемой вселенной, — это пузырь вокруг нас диаметром в 93 миллиарда световых лет. Чем дальше мы заглядываем, тем глубже забираемся в прошлое. Мы не можем наблюдать или измерять то, что находится за пределами расстояния, которое свет прошел до нас с момента Большого взрыва.

Поскольку космическое пространство расширялось, размер наблюдаемой вселенной, как это ни парадоксально, превышает 14 миллиардов световых лет.

Но ученые считают, что вселенная за пределами нашего пузыря намного больше. Возможно, она бесконечна.

Вселенная может быть плоской, как и выглядит. Тогда два луча света останутся параллельными и никогда не пересекутся. Если бы вы попытались отправиться на край вселенной, вы бы никогда его не достигли. Вселенная продолжается бесконечно.

Если же вселенной присуща позитивная кривизна, то в теории она может быть и конечной. Тогда она будет напоминать своего рода шар. Отправившись искать «конец», вы вернулись бы в то же самое место, откуда начали, вне зависимости от избранного направления. Как если объехать вокруг земного шара и вернуться в исходную точку.

В любом случае вселенная способна расширяться, ни во что не упираясь.

Бесконечная вселенная, которая становится все больше, все равно остается бесконечной. У «вселенной-шара» нет края.

3. «У Большого взрыва был центр»

Если представить Большой взрыв как взрыв гранаты, есть большой соблазн вообразить некий эпицентр. Как это и бывает с обычными взрывами.

Но только не с Большим взрывом. Почти все галактики удаляются от нас во всех направлениях. Создается ощущение, что Земля и была тем центром, с которого началась вселенная. Но это, конечно, не так.

Все остальные наблюдатели увидят то же самое из своей родной галактики, объясняет Торстен Брингманн.

Вселенная расширяется повсюду одновременно. Большой взрыв не происходил в каком-то конкретном месте.

«Он произошел повсюду», — Раклев.

4. «Вся вселенная была заключена в крошечной точке»

Действительно, в начале Большого взрыва все, что есть в нашей наблюдаемой вселенной, было сосредоточено на очень маленьком пространстве невероятно близко друг к другу.

Но как вселенная может быть одновременно бесконечной и очень маленькой?

Возможно, вы читали, что вселенная поначалу была меньше атома, а потом достигла размеров футбольного мяча. Но в таком случае это значит, что у пространства вначале все-таки были границы, некий край.

«Нет никаких доказательств, что вселенная в момент Большого взрыва уже была бесконечной, — говорит Раклев. — Она просто была меньше в том смысле, что расстояния, которые тогда измерялись метрами, увеличились на непостижимые миллиарды световых лет».

Когда мы рассуждаем, какой была вселенная в то время, речь идет лишь о нашей наблюдаемой вселенной.

«Вся наблюдаемая вселенная вышла из крошечной области, которую можно назвать точкой. Но точка рядом с ней тоже расширилась, и следующая точка тоже. Просто все это сейчас так далеко от нас, что мы не можем этого увидеть», — объясняет Раклев.

5. «Вселенная была бесконечно маленькой, горячей и плотной»

Возможно, вы слышали, что вселенная началась с сингулярности? Она была бесконечно маленькой, горячей и так далее. Может, так оно и было, но многие физики сомневаются, что это дает какой-то ответ.

Сингулярность — понятие, которое используют, когда математика с описанием не справляется, а с помощью обычной физики описать явление невозможно. Так объясняет космолог Стен Хансен (Steen H. Hansen).

Торстен Брингманн вкратце рассказывает, что это значит в контексте Большого взрыва.

«Вселенная сегодня немного больше, чем вчера. И даже немного больше, чем была миллион лет назад. Теория Большого взрыва опирается на экстраполяцию этого процесса назад во времени. И для этого нужна еще одна теория: общая теория относительности».

«Если я экстраполирую процесс до самого конца в обратном направлении, вселенная будет становиться все меньше и меньше, плотнее и плотнее, горячее и горячее. Наконец, получится что-то очень маленькое, очень горячее и плотное. Вот это и есть теория Большого взрыва, она подразумевает, что так все и началось. Потому что на этом нам просто приходится остановиться», — говорит Брингманн.

Если отмотать общую теорию относительности назад до самого конца, то получится точка с невероятно высокой плотностью и температурой. Ее размеры стремятся к нулю.

«Это чисто математическая экстраполяция, выходящая за рамки того, что на самом деле допускает теория», — говорит Брингманн.

«При этом в какой-то момент речь начинает идти о таких плотности и температуре, что у нас просто больше нет физических теорий для их описания».

По его словам, физикам нужна другая теория. И есть люди, которые занимаются именно этим.

«Что нужно, чтобы описать такое экстремальное состояние? Тут мы подходим к области, где нужна теория, комбинирующая теорию гравитации и квантовую теорию. Никто не смог ее сформулировать. А мы как раз ждем, что теория квантовой гравитации не будет приводить нас к заключению, что все восходит к одной определенной точке».

Так что происходившее в самом начале истории вселенной от нас до сих пор скрыто, что — пока что.