Вселенная могла начаться не с Большого взрыва: что думают ученые

Начало Вселенной мы часто представляем как Большой взрыв – единичный момент, когда возникли пространство, время и материя. Но что если это было вовсе не начало? Возможно, наша Вселенная возникла из чего-то другого – чего-то более знакомого и радикального одновременно?

Видео дня

Профессор Института космологии и гравитации Университета Портсмута Энрике Газтанага с коллегами предложили свою альтернативу. Как он написал в статье для издания Live Science, расчеты его группы показывают, что Большой взрыв не был началом всего, а скорее результатом гравитационного сжатия или коллапса, который образовал очень массивную черную дыру, за чем последовал отскок внутри.

Идея, которую авторы назвали Вселенной черной дыры, предлагает радикально иной взгляд на происхождение космоса, но она полностью основана на известной физике и наблюдениях. Сегодняшняя стандартная космологическая модель, основанная на Большом взрыве и космической инфляции (идея о том, что ранняя Вселенная быстро увеличивалась в размерах), оказалась на удивление успешной в объяснении структуры и эволюции Вселенной. Но она оставляет некоторые из фундаментальных вопросов без ответа.

Во-первых, модель Большого взрыва начинается с сингулярности – точки бесконечной плотности, где законы физики нарушаются. Это не просто технический сбой; это глубокая теоретическая проблема, следствием которой является полное непонимание, что было до этого события.

Чтобы объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, физики ввели короткую фазу быстрого расширения в ранней Вселенной, называемую космической инфляцией. Этот процесс подпитывался неизвестным полем со странными свойствами. Позже, чтобы объяснить расширение, которое происходило с ускорением и продолжается до сих пор, они добавили еще один "загадочный" компонент: темную энергию.

Короче говоря, стандартная модель космологии работает хорошо, но только за счет введения новых ингредиентов, которые мы никогда не наблюдали непосредственно. Между тем, основные вопросы остаются открытыми: откуда все взялось? Почему все началось именно так? И почему Вселенная такая плоская, гладкая и большая?

Новая модель

Предложенная исследователями новая модель решает эти вопросы с другой точки зрения. Она предлагает взглянуть внутрь, а не наружу. Вместо того чтобы начинать с расширяющейся Вселенной и пытаться проследить, как она началась, авторы предлагают рассмотреть, что происходит, когда слишком плотное скопление материи коллапсирует под действием гравитации.

Этот процесс физикам знаком. Звезды коллапсируют в черные дыры, которые являются одними из изученных объектов в физике. Но то, что происходит внутри черной дыры, за горизонтом событий, из которого ничто не может вырваться, остается загадкой.

В 1965 году британский физик Роджер Пенроуз доказал, что при очень общих условиях гравитационный коллапс должен приводить к сингулярности. Этот результат, расширенный покойным британским физиком Стивеном Хокингом и другими, подкрепляет идею о том, что сингулярности – такие как сингулярность при Большом взрыве – неизбежны.

Эта идея помогла Пенроузу выиграть часть Нобелевской премии по физике 2020 года и вдохновила Хокинга на мировой бестселлер "Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр". Но есть оговорка. Эти "теоремы о сингулярности" опираются на "классическую физику", которая описывает обычные макроскопические объекты. Если мы включим эффекты квантовой механики, которая управляет крошечным микрокосмосом атомов и частиц, как мы должны делать при экстремальных плотностях, все может измениться.

В новой статье авторы показывают, что гравитационный коллапс не обязательно заканчивается сингулярностью. Они предлагают точное аналитическое решение – математический результат без приближения. Их математические расчеты показывают, что с приближением к потенциальной сингулярности размер Вселенной меняется как (гиперболическая) функция космического времени.

Это простое математическое решение описывает, как коллапсирующее облако материи может достичь состояния высокой плотности, а затем отскочить, вырвавшись наружу в новую расширяющуюся фазу.

Но как теоремы Пенроуза запрещают такие результаты? Все дело в правиле, называемом квантовым принципом исключения, которое гласит, что никакие две идентичные частицы, известные как фермионы, не могут иметь одно и то же квантовое состояние (например, угловой момент или "спин").

Исследователи в новой работе показывают, что это правило не позволяет частицам в коллапсирующей материи сжиматься бесконечно. В результате коллапс останавливается и вращается обратно. Отскок не только возможен – он неизбежен при правильных условиях.

Важно то, что этот отскок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применяется в больших масштабах, таких как звезды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики. Больше не нужны экзотические поля, дополнительные измерения или спекулятивная физика.

То, что возникает по ту сторону отскока, – это Вселенная, удивительно похожая на нашу. Еще более удивительно, что отскок естественно производит две отдельные фазы ускоренного расширения – инфляцию и темную энергию – движущей силой которых являются не гипотетические поля, а физика самого отскока.

Проверенные прогнозы

Одной из сильных сторон предложенной модели является то, что она делает пригодные для проверки прогнозы. Она предполагает небольшое, но ненулевое количество положительной пространственной кривизны – то есть Вселенная не совсем плоская, а немного искривленная, как поверхность Земли.

Это просто реликт первоначальной небольшой избыточной плотности, которая спровоцировала коллапс. Если будущие наблюдения, такие как миссия Евклид (миссия Европейского космического агентства с участием NASA по поиску темной материи – ред.), которая сейчас продолжается, подтвердят небольшую положительную кривизну, это будет сильным намеком на то, что наша Вселенная действительно возникла из такого отскока. Она также делает прогнозы о текущей скорости расширения Вселенной, которая уже была проверена.

Эта модель делает больше чем просто исправляет технические проблемы стандартной космологии. Это также может пролить новый свет на другие глубокие тайны в нашем понимании ранней Вселенной – такие как происхождение сверхмассивных черных дыр, природа темной материи или иерархическое формирование и эволюция галактик.

Эти вопросы будут изучаться будущими космическими миссиями, такими как Arrakihs, которые будут изучать диффузные особенности, такие как звездные гало (сферическая структура звезд и шаровых скоплений, окружающих галактики) и галактики-спутники (меньшие галактики, вращающиеся вокруг более крупных), которые трудно обнаружить с помощью традиционных телескопов с Земли, и которые помогут нам понять темную материю и эволюцию галактик. Эти явления также могут быть связаны с реликтовыми компактными объектами, такими как черные дыры, которые образовались во время фазы коллапса и пережили отскок.

Вселенная черной дыры также предлагает новый взгляд на наше место в космосе. В этой структуре вся наша наблюдаемая Вселенная находится внутри черной дыры, образованной в некоторой большей "родительской" Вселенной. "Мы не являемся свидетелями рождения всего из ничего, а скорее продолжением космического цикла – цикла, сформированного гравитацией, квантовой механикой и глубокими взаимосвязями между ними", – подытожил свою статью Газтанага.

Ранее OBOZ.UA рассказывал, в каком порядке возникали планеты Солнечной системы, согласно расчетам физиков.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.