Всесвіт міг початися не з Великого вибуху: що думають учені

Початок Всесвіту ми часто уявляєм, яке Великий вибух – одиничний момент, коли виникли простір, час і матерія. Але що якщо це було зовсім не початком? Можливо, наш Всесвіт виник із чогось іншого — чогось більш знайомого і радикального одночасно?

Відео дня

Професор Інституту космології та гравітації Університету Портсмута Енріке Газтанага з колегами запропонували свою альтернативу. Як він написав у статті для видання Live Science, розрахунки його групи показують, що Великий вибух не був початком всього, а скоріше результатом гравітаційного стиснення або колапсу, який утворив дуже масивну чорну діру, за чим стався відскок всередині.

Ідея, яку автори назвали Всесвітом чорної дірки, пропонує радикально інший погляд на походження космосу, але вона повністю заснована на відомій фізиці та спостереженнях. Сьогоднішня стандартна космологічна модель, заснована на Великому вибуху та космічній інфляції (ідея про те, що ранній Всесвіт швидко збільшувався в розмірах), виявилася напрочуд успішною в поясненні структури та еволюції Всесвіту. Але вона залишає деякі з фундаментальних питань без відповіді.

По-перше, модель Великого вибуху починається із сингулярності — точки нескінченної густини, де закони фізики порушуються. Це не просто технічний збій; це глибока теоретична проблема, наслідком якої є повне не розуміння, що було до цієї події.

Щоб пояснити великомасштабну структуру Всесвіту, фізики ввели коротку фазу швидкого розширення в ранній Всесвіт, що називається космічною інфляцією. Цей процес підживлювався невідомим полем з дивними властивостями. Пізніше, щоби пояснити розширення, яке відбувалося з прискоренням і триває досі, вони додали ще один "загадковий" компонент: темну енергію.

Коротше кажучи, стандартна модель космології працює добре, але тільки за рахунок введення нових інгредієнтів, які ми ніколи не спостерігали безпосередньо. Тим часом, основні питання залишаються відкритими: звідки все взялося? Чому все почалося саме так? І чому Всесвіт такий плоский, гладкий і великий?

Нова модель

Запропонована дослідниками нова модель вирішує ці питання з іншого погляду. Вона пропонує поглянути всередину, а не назовні. Замість того щоб починати з Всесвіту, що розширюється, і намагатися простежити, як він почався, автори пропонують розглянути, що відбувається, коли занадто щільне скупчення матерії колапсує під дією гравітації.

Цей процес фізикам знайомий. Зірки колапсують у чорні діри, які є одними з вивчених об'єктів у фізиці. Але те, що відбувається всередині чорної діри, за обрієм подій, з якого ніщо не може вирватися, залишається загадкою.

У 1965 році британський фізик Роджер Пенроуз довів, що за дуже загальних умов гравітаційний колапс має призводити до сингулярності. Цей результат, розширений покійним британським фізиком Стівеном Гокінгом та іншими, підкріплює ідею про те, що сингулярності – такі як сингулярність при Великому вибуху – неминучі.

Ця ідея допомогла Пенроузу виграти частину Нобелівської премії з фізики 2020 року та надихнула Гокінга на світовий бестселер "Коротка історія часу: від Великого вибуху до чорних дір". Але є застереження. Ці "теореми про сингулярність" спираються на "класичну фізику", яка описує звичайні макроскопічні об'єкти. Якщо ми включимо ефекти квантової механіки, яка керує крихітним мікрокосмосом атомів і частинок, як ми маємо робити при екстремальних густинах, все може змінитися.

У новій статті автори показують, що гравітаційний колапс не обов'язково закінчується сингулярністю. Вони пропонують точне аналітичне рішення – математичний результат без наближення. Їхні математичні розрахунки показують, що з наближенням до потенційної сингулярності розмір Всесвіту змінюється як (гіперболічна) функція космічного часу.

Це просте математичне рішення описує, як хмара матерії, що колапсує, може досягти стану високої щільності, а потім відскочити, вирвавшись назовні в нову фазу, що розширюється.

Але як теореми Пенроуза забороняють такі результати? Вся справа в правилі, званому квантовим принципом виключення, який свідчить, що жодні дві ідентичні частинки, відомі як ферміони, не можуть мати один і той же квантовий стан (наприклад, кутовий момент або "спин").

Дослідники у новій роботі показують, що це правило не дозволяє часткам в матерії, що колапсує, стискатися нескінченно. В результаті колапс зупиняється та обертається назад. Відскок не тільки можливий – він неминучий за правильних умов.

Важливо те, що цей відскок відбувається повністю в рамках загальної теорії відносності, яка застосовується у великих масштабах, таких як зірки та галактики, у поєднанні з основними принципами квантової механіки. Більше не потрібні екзотичні поля, додаткові виміри або спекулятивна фізика.

Те, що виникає по той бік відскоку, — це Всесвіт, напрочуд схожий на наш. Ще більш дивно, що відскок природно виробляє дві окремі фази прискореного розширення — інфляцію і темну енергію — рушійною силою яких є не гіпотетичні поля, а фізика самого відскоку.

Перевірені прогнози

Однією з сильних сторін запропонованої моделі є те, що вона робить придатні для перевірки прогнози. Вона передбачає невелику, але ненульову кількість позитивної просторової кривизни — тобто Всесвіт не зовсім плоский, а трохи викривлений, як поверхня Землі.

Це просто релікт початкової невеликої надмірної густини, яка спровокувала колапс. Якщо майбутні спостереження, такі як місія Евклід (місія Європейського космічного агентства за участі NASA з пошуку темної матерії – ред.), що зараз триває, підтвердять невелику позитивну кривизну, це буде сильним натяком на те, що наш Всесвіт дійсно виник з такого відскоку. Вона також робить прогнози про поточну швидкість розширення Всесвіту, яку вже було перевірено.

Ця модель робить більше ніж просто виправляє технічні проблеми стандартної космології. Це також може пролити нове світло на інші глибокі таємниці в нашому розумінні раннього Всесвіту – такі як походження надмасивних чорних дір, природа темної матерії або ієрархічне формування та еволюція галактик.

Ці питання будуть вивчатися майбутніми космічними місіями, такими як Arrakihs, які будуть вивчати дифузні особливості, такі як зіркові гало (сферична структура зірок і кульових скупчень, що оточують галактики) і галактики-супутники (менші галактики, що обертаються навколо більших), які важко виявити з допомогою традиційних телескопів з Землі, і які допоможуть нам зрозуміти темну матерію та еволюцію галактик. Ці явища також можуть бути пов'язані з реліктовими компактними об'єктами, такими як чорні дірки, які утворилися під час фази колапсу та пережили відскок.

Всесвіт чорної діри також пропонує новий погляд на наше місце у космосі. У цій структурі весь наш придатний для спостереження Всесвіт знаходиться всередині чорної діри, утвореної в деякому більшому "батьківському" Всесвіті. "Ми не є свідками народження всього з нічого, а скоріше продовженням космічного циклу — циклу, сформованого гравітацією, квантовою механікою та глибокими взаємозв'язками між ними", — підсумував свою статтю Газтанага.

Раніше OBOZ.UA розповідав, в якому порядку виникали планети Сонячної системи, згідно з розрахунками фізиків.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.