Заглавието на тази статия може да не звучи като умна шега. Според общоприетата космологична концепция, теорията за Големия взрив, нашата Вселена е възникнала от екстремно състояние на физически вакуум, генериран от квантови колебания. В това състояние не съществуват нито времето, нито пространството (или те са се заплитали в пространствено-времева пяна) и всички основни физически взаимодействия са слети заедно. По-късно те се разделят и придобиват независимо съществуване - първо гравитация, след това силно взаимодействие и едва след това - слабо и електромагнитно.
Да се върнем към научно обоснована
Теорията за Големия взрив се доверява на абсолютното мнозинство от учените, изучаващи ранната история на нашата Вселена. Всъщност това обяснява много и по никакъв начин не противоречи на експерименталните данни. Напоследък обаче тя има съперник в лицето на нова, циклична теория, чиито основи са разработени от двама физици от допълнителна класа - директорът на Института по теоретична наука към Принстънския университет Пол Щайнхард и лауреатът на медала на Максуел и престижната международна награда TED Нийл Турок, директор на Канадския институт за напреднали изследвания в теоретичното Физика (Периметров институт за теоретична физика). С помощта на професор Щайнхард популярната механика се опита да говори за цикличната теория и причините за нейната поява.
Моментът, предшестващ събитията, когато „първо гравитацията, след това силно взаимодействие и едва след това - слабо и електромагнитно.“Появи се, обичайно е да се обозначава като нулево време, t = 0, но това е чиста конвенция, почит към математическия формализъм. Според стандартната теория непрекъснатият поток от време започва едва след като силата на гравитацията става независима. Този момент обикновено се приписва на стойността t = 10-43 s (по-точно 5.4x10-44 s), която се нарича време на Планк. Съвременните физически теории просто не са в състояние да работят по същество с по-кратки периоди от време (смята се, че това изисква квантова теория на гравитацията, която все още не е създадена). В контекста на традиционната космология няма смисъл да се говори за случилото се преди началния момент във времето,защото времето в нашето разбиране просто не е съществувало тогава.
Концепцията за инфлацията е съществена част от стандартната космологична теория (виж страничната лента). След края на инфлацията гравитацията дойде на своето място и Вселената продължи да се разширява, но с намаляваща скорост. Тази еволюция продължи 9 милиарда години, след което влезе в действие друго антигравитационно поле с все още непозната природа, което се нарича тъмна енергия. Това отново доведе Вселената в режим на експоненциално разширение, което, изглежда, трябва да продължи и в бъдеще. Трябва да се отбележи, че тези заключения се основават на астрофизични открития, направени в края на миналия век, почти 20 години след появата на инфлационната космология.
Инфлационната интерпретация на Големия взрив е предложена за първи път преди около 30 години и оттогава е усъвършенствана много пъти. Тази теория позволи да се решат няколко основни проблема, с които предишната космология не успя да се справи. Например тя обясни защо живеем във вселена с плоска евклидова геометрия - според класическите уравнения на Фридман точно това трябва да прави с експоненциално разширение. Инфлационната теория обясни защо космическата материя има гранулираност в мащаб, който не надвишава стотици милиони светлинни години, и е равномерно разпределена на големи разстояния. Тя също така даде интерпретация на неуспеха на всякакви опити за откриване на магнитни монополи, много масивни частици с един магнитен полюс, за които се смята, че саса родени в изобилие преди началото на инфлацията (инфлацията е разтегнала космическото пространство, така че първоначално високата плътност на монополите е била намалена до почти нула и следователно нашите инструменти не могат да ги открият).
Промоционално видео:
Скоро след появата на инфлационния модел няколко теоретици осъзнават, че неговата вътрешна логика не противоречи на идеята за постоянно множествено раждане на все повече и повече нови вселени. Всъщност, квантовите колебания, като тези, на които дължим съществуването на нашия свят, могат да се появят във всяко количество, при условие че условията са правилни. Възможно е нашата Вселена да е напуснала зоната на флуктуация, формирана в света на предшествениците. По същия начин може да се приеме, че някога и някъде в нашата собствена Вселена се образува флуктуация, която „издухва“млада вселена от съвсем различен вид, също способна на космологично „размножаване“. Има модели, при които такива детски вселени се появяват непрекъснато, разклоняват се от родителите си и намират своето място. Нещо повече, изобщо не е необходимо да се установяват едни и същи физически закони в такива светове. Всички тези светове са "вложени" в един пространствено-времеви континуум, но те са толкова раздалечени, че по никакъв начин не усещат присъствието на другия. Като цяло концепцията за инфлацията позволява - освен това принуждава! - да вярваме, че в гигантския мегакосмос има много изолирани вселени с различни договорености.
Теоретичните физици обичат да предлагат алтернативи дори на най-общоприетите теории. Инфлационният модел на Големия взрив също има конкуренти. Те не получиха широка подкрепа, но получиха и имат свои собствени последователи. Теорията на Щайнхард и Турок сред тях не е първата и със сигурност не е последната. Днес обаче той е разработен по-подробно от останалите и по-добре обяснява наблюдаваните свойства на нашия свят. Той има няколко версии, някои от които се основават на квантовата теория на струните и многомерните пространства, докато други разчитат на традиционната квантова теория на полето. Първият подход дава по-ярки картини на космологичните процеси, така че ще се спрем на него.
Най-модерната версия на теорията на струните е известна като М-теория. Тя твърди, че физическият свят има 11 измерения - десет пространствени и едно времево. В него плуват пространства с по-ниски размери, така наречените брани. Нашата Вселена е само една от тези брани, с три пространствени измерения. Той е изпълнен с различни квантови частици (електрони, кварки, фотони и др.), Които всъщност са отворени вибриращи струни само с едно пространствено измерение - дължина. Краищата на всеки низ са здраво закотвени в триизмерна брана и струната не може да напусне браната. Но има и затворени струни, които могат да мигрират извън браните - това са гравитони, кванти на гравитационното поле.
Как цикличната теория обяснява миналото и бъдещето на Вселената? Нека започнем с настоящата ера. Първото място сега принадлежи на тъмната енергия, която кара нашата Вселена да се разширява експоненциално, като периодично удвоява размера си. В резултат на това плътността на материята и радиацията непрекъснато падат, гравитационната кривина на пространството отслабва и геометрията му става все по-плоска. През следващите трилион години размерът на Вселената ще се удвои около сто пъти и тя ще се превърне в почти празен свят, напълно лишен от материални структури. До нас е друга триизмерна брана, отделена от нас с малко разстояние в четвъртото измерение и тя също претърпява подобно експоненциално разширение и сплескване. През цялото това време разстоянието между брените практически не се променя.
И тогава тези паралелни брани започват да се сближават. Те се тласкат един към друг от силово поле, чиято енергия зависи от разстоянието между браните. Сега енергийната плътност на такова поле е положителна, така че пространството на двете брани се разширява експоненциално - следователно именно това поле осигурява ефекта, който се обяснява с наличието на тъмна енергия! Този параметър обаче постепенно намалява и след трилион години ще падне до нула. И двете брани ще продължат да се разширяват така или иначе, но не експоненциално, а с много бавни темпове. Следователно в нашия свят плътността на частиците и радиацията ще останат почти нула и геометрията ще остане равна.
Но краят на старата история е само прелюдия към следващия цикъл. Браните се движат една към друга и в крайна сметка се сблъскват. На този етап енергийната плътност на междубраншовото поле пада под нулата и тя започва да действа като гравитация (нека ви напомня, че потенциалната енергия на гравитацията е отрицателна!). Когато браните са много близо, междубрановото поле започва да усилва квантовите флуктуации във всяка точка от нашия свят и ги трансформира в макроскопични деформации на пространствената геометрия (например за милионна част от секундата преди сблъсъка, изчисленият размер на такива деформации достига няколко метра). След сблъсъка именно в тези зони се освобождава лъвският дял от кинетичната енергия, отделена по време на удара. В резултат именно там се появява най-горещата плазма с температура около 1023 градуса. Именно тези региони се превръщат в локални гравитационни възли и се превръщат в ембриони на бъдещите галактики.
Такъв сблъсък замества Големия взрив на инфлационната космология. Много е важно цялата новообразувана материя с положителна енергия да се появи поради натрупаната отрицателна енергия на междубраншовото поле, поради което законът за запазване на енергията не се нарушава.
Как се държи такова поле в този решаващ момент? Преди сблъсъка плътността на неговата енергия достига минимум (и отрицателна), след това започва да се увеличава и при сблъсък става нула. След това браните се отблъскват и започват да се разпръскват. Плътността на междуразклонената енергия преминава през обратната еволюция - отново става отрицателна, нулева, положителна. Браната, обогатена с материя и радиация, първо се разширява с намаляваща скорост под спирачния ефект на собствената си гравитация и след това отново преминава към експоненциално разширение. Новият цикъл завършва като предишния - и така нататък ad infinitum. Циклите, предшестващи нашия, също са се случвали в миналото - в този модел времето е непрекъснато, така че миналото съществува след 13,7 милиарда години, изминали от последното обогатяване на нашата брана с материя и радиация!Дали те са имали някакво начало, теорията мълчи.
Цикличната теория обяснява свойствата на нашия свят по нов начин. Той има плоска геометрия, тъй като в края на всеки цикъл се разтяга прекомерно и само леко се деформира, преди да започне нов цикъл. Квантовите колебания, които се превръщат в предшественици на галактиките, възникват хаотично, но средно равномерно - следователно, космическото пространство е изпълнено с бучки от материя, но на много големи разстояния е доста хомогенно. Не можем да открием магнитни монополи просто защото максималната температура на новородената плазма не надвишава 1023 К, а за появата на такива частици са необходими много по-високи енергии - от порядъка на 1027 К.
Цикличната теория съществува в няколко версии, както и теорията за инфлацията. Според Пол Щайнхард обаче разликите между тях са чисто технически и интересни само за специалистите, общата концепция остава непроменена: „Първо, в нашата теория няма момент от началото на света, няма сингулярност. Има периодични фази на интензивно създаване на материя и радиация, всяка от които при желание може да се нарече Големият взрив. Но никоя от тези фази не маркира появата на нова Вселена, а само преход от един цикъл към друг. Както пространството, така и времето съществуват както преди, така и след всеки от тези катаклизми. Затова е съвсем естествено да се запитаме какво е било положението на нещата 10 милиарда години преди последния Голям взрив, от който се брои историята на Вселената.
Втората ключова разлика е същността и ролята на тъмната енергия. Инфлационната космология не предсказва прехода на забавено разширяване на Вселената към ускорено. И когато астрофизиците откриха този феномен, наблюдавайки експлозиите на далечни свръхнови, стандартната космология дори не знаеше какво да направи с него. Хипотезата за тъмната енергия беше изложена просто с цел да се обвържат по някакъв начин парадоксалните резултати от тези наблюдения с теорията. И нашият подход е много по-добре запечатан от вътрешната логика, тъй като първоначално имаме тъмна енергия и именно тази енергия осигурява редуването на космологичните цикли. " Както отбелязва Пол Щайнхард, цикличната теория също има слаби страни: „Все още не сме успели да опишем убедително процеса на сблъсък и отскок на паралелни брани, който се провежда в началото на всеки цикъл. Други аспекти на цикличната теория са много по-добре развити, но все още има много неясноти, които трябва да бъдат изчистени."
Но дори и най-красивите теоретични модели се нуждаят от експериментална проверка. Може ли цикличната космология да бъде потвърдена или опровергана чрез наблюдения? „Както инфлационната, така и цикличната теория предсказват съществуването на реликтови гравитационни вълни“, обяснява Пол Щайнхард. - В първия случай те възникват от първични квантови колебания, които се размазват над пространството по време на надуването и генерират периодични трептения на неговата геометрия - а това, според общата теория на относителността, са гравитационни вълни. В нашия сценарий квантовите колебания също са основната причина за такива вълни - същите, които се усилват при сблъсъци на брани. Изчисленията показват, че всеки механизъм генерира вълни със специфичен спектър и специфична поляризация. Тези вълни трябваше да оставят отпечатъци върху космическото микровълново лъчение, което е безценен източник на информация за ранното космос. Досега такива следи не са открити, но най-вероятно това ще бъде направено през следващото десетилетие. Освен това физиците вече мислят за директната регистрация на реликтови гравитационни вълни с помощта на космически кораби, които ще се появят след две до три десетилетия."
Друга разлика, според професор Щайнхард, е разпределението на температурата на фоновото микровълново лъчение: „Тази радиация, идваща от различни части на небето, не е съвсем еднородна по температура, тя има повече и по-малко отопляеми зони. На нивото на точност на измерването, осигурено от съвременното оборудване, броят на горещите и студените зони е приблизително еднакъв, което съвпада със заключенията на двете теории - както инфлационна, така и циклична. Тези теории обаче предсказват по-фини разлики между зоните. По принцип те ще могат да идентифицират европейската космическа обсерватория „Планк“, стартирала миналата година, както и други най-нови космически кораби. Надявам се, че резултатите от тези експерименти ще помогнат да се направи избор между инфлационни и циклични теории. Но може и да се случиче ситуацията ще остане несигурна и никоя от теориите няма да получи недвусмислена експериментална подкрепа. Е, тогава ще трябва да измисля нещо ново."
Според инфлационния модел, малко след раждането си, Вселената се разширява експоненциално за много кратко време, удвоявайки многократно своите линейни размери. Учените смятат, че началото на този процес съвпадна във времето с отделянето на силното взаимодействие и настъпи във времева отметка от 10-36 s. Подобно разширение (с леката ръка на американския физик-теоретик Сидни Колман, това беше наречено космологична инфлация) беше изключително краткотрайно (до 10-34 s), но увеличи линейните размери на Вселената поне с 1030-1050 пъти, а вероятно и много повече. Според повечето специфични сценарии, инфлацията е стартирана от антигравитационно квантово скаларно поле, чиято енергийна плътност постепенно намалява и в крайна сметка достига минимум. Преди това да се случи, полето започна да трепти бързо,генериращи елементарни частици. В резултат на това към края на инфлационната фаза Вселената се напълни със супер гореща плазма, състояща се от свободни кварки, глюони, лептони и високоенергийни кванти на електромагнитното излъчване.
Радикална алтернатива
През 80-те години професор Щайнхард има значителен принос за развитието на стандартната теория за Големия взрив. Това обаче не му попречи да търси радикална алтернатива на теорията, в която беше вложено толкова много работа. Както самият Пол Щайнхард каза пред „Популярна механика“, хипотезата за инфлацията наистина разкрива много космологични загадки, но това не означава, че няма смисъл да се търсят други обяснения: „Отначало просто ми беше интересно да се опитам да разбера основните свойства на нашия свят, без да прибягвам до инфлацията. По-късно, когато задълбочих този въпрос, се убедих, че инфлационната теория изобщо не е толкова съвършена, както твърдят нейните привърженици. Когато инфлационната космология току-що се създаваше, ние се надявахме, че тя ще обясни прехода от първоначалното хаотично състояние на материята към настоящата подредена Вселена. Тя го направи - но отиде много по-далеч.
Вътрешната логика на теорията изискваше да се признае, че инфлацията постоянно създава безкраен брой светове. Това би било добре, ако физическото им устройство копира нашето собствено, но това просто не работи. Например с помощта на инфлационната хипотеза беше възможно да се обясни защо живеем в плосък евклидов свят, но в края на краищата повечето други вселени със сигурност няма да имат същата геометрия. Накратко, ние изграждахме теория, за да обясним собствения си свят и тя излезе извън контрол и породи безкрайно разнообразие от екзотични светове. Това състояние на нещата престана да ме устройва. Освен това стандартната теория не е в състояние да обясни естеството на по-ранното състояние, предшестващо експоненциалното разширение. В този смисъл тя е толкова непълна, колкото прединфлационната космология. И накрая,тя не е в състояние да каже нищо за природата на тъмната енергия, която движи разширяването на нашата Вселена от 5 милиарда години.
