Что произошло до Большого Взрыва?

Иллюстрация, показывающая эволюцию Вселенной, начиная от Большого Взрыва слева, и до появления космического микроволнового фона. После образования первых звёзд заканчиваются космические тёмные века, за которыми следует образование галактик. Авторы и права: CfA / M. Weiss.

Теория Большого Отскока когда-то считалась невозможной. Но два физика не так давно дали ей второе дыхание.

В начале была лишь сконцентрированная в очень маленьком объёме материя с бесконечной плотностью. Затем произошёл Взрыв, давший начало атомам, молекулам, звёздам и галактикам, которые мы видим сегодня.

По крайней мере, так нам говорили физики на протяжении последних десятилетий.

Но новое исследование в области теоретической физики, возможно, пролило нам истинный свет на очень раннюю Вселенную. На самом деле тогда могла завершиться последняя стадия цикла “взрыв-отскок”, который произошёл по крайней мере один раз, а может и больше.

Конечно, если теория Большого Отскока получит всеобщее признание, то она тогда должна быть подвергнута многочисленным проверкам, прежде чем займёт место теории Большого Взрыва.

Космологический Отскок

Учёные имеют достаточно хорошее представление о том, что происходило в очень ранней Вселенной; это и отражает теория Большого Взрыва. Согласно ей, Вселенная очень давно была намного меньше, горячее и обладала гораздо большей плотностью, чем сейчас. Именно тогда, около 13,8 миллиардов лет назад, буквально за двенадцать минут были сформированы элементы, из которых мы сейчас состоим.

Ещё раньше, по мнению учёных, наша Вселенная, включая всю её материю, была размером с персик и имела температуру более квадриллиона градусов.

На этой иллюстрации показана эволюция Вселенной, от Большого Взрыва слева до современности справа. Авторы и права: NASA.

Как бы это не было удивительно, но вся эта картина согласуется с текущими наблюдениями. Всё, что сделали астрономы, от наблюдения реликтового излучения до измерения концентрации самых лёгких элементов, соответствовало тому, что предсказывала модель Большого Взрыва. Поэтому мы можем с большой уверенностью считать, что это верная модель ранней Вселенной.

Но как бы там ни было, неполной эту теорию делает незнание того, что произошло в самые ранние моменты Вселенной. И это довольно большая проблема.

Большой пожар

Проблема заключается в том, что физика (общая теория относительности и физика частиц высоких энергий), которую мы используем для изучения ранней Вселенной, работает лишь до тех пор, пока она не даёт некоторые сбои. По мере продвижения к началу мироздания, математические расчёты всё усложняются, пока наконец не прекращаются полностью.

Главный признак того, что наша теория несовершенная это наличие сингулярности, или точки с бесконечной плотностью в начале Вселенной. Это означает, что вся наша Вселенная когда-то была бесконечно маленькой и бесконечно плотной точкой. Это явно вызывает сомнения в современной физике и говорит о том, что нам нужна новая физика для решения этой проблемы.

При этом новая физика должна объяснять гравитацию и другие силы при сверхвысоких энергиях. Это как раз соответствует утверждению теории струн, следовательно, именно она может объяснить самые ранние моменты жизни Вселенной.

В теории струн крошечные объекты струны заменяют традиционные субатомные частицы. Авторы и права: Michael Taylor.

Одно из первых представлений теории струн это так называемая “экпиротическая” Вселенная, или огненная, сгорающая. В этом сценарии Большой Взрыв был вызван чем-то, предшествующим ему. То есть он был не началом, а частью более крупного процесса.

Развитие концепции экпиротизма привело к новой ветви теории струн – циклической космологии. Вероятно, эта идея возникла тысячелетия назад, однако именно теория струн возложила её математический фундамент. Циклическая вселенная действует незамысловатым образом: постоянные большие взрывы и большие сжатия, устремлённые в бесконечное будущее и прошлое.

До начала

Как бы потрясающе это ни звучало, в ранних версиях циклической модели возникли трудности с сопоставлением наблюдений, что является большой проблемой для учёных, разрабатывающих теорию.

Основной проблемой было согласование теории и наблюдений за космическим микроволновым фоном – реликтовым излучением Вселенной, оставленным 380 000 лет после начала. Таким образом, циклическая вселенная была изящной теорией, но неверной.

Вопреки всему, экпиротический факел продолжал гореть, и статья, опубликованная в январе 2020 года, указала на математические недоработки и ранее упущенные возможности. Физики Роберт Бранденбергер и Цивэй Ван из Университета Макгилла в Канаде обнаружили, что для момента Отскока, когда цикл завершается, и Вселенная переходит в стадию Большого Взрыва, можно получить правильные результаты вычислений, закреплённых наблюдениями.

Пара галактик в ранней Вселенной в представлении художника. Авторы и права: NRAO / AUI / NSF / D. Berry.

Другими словами, сложная (и плохо изученная) физика этой критической эпохи может повлиять на переосмысление нашего места и времени нахождения в космосе.

Но чтобы полностью протестировать эту модель, нам придётся дождаться усовершенствованных космологических экспериментов, так что можно расслабиться и подождать, пока разогреется экпиротическое шампанское.