Горячий Большой взрыв и инфляция

Горячий Большой взрыв

Горячий Большой взрыв — это период развития Вселенной, на последних стадиях которого живём мы с вами. В этот период наблюдаемая часть Вселенной изначально была плотной и горячей, а затем она начала расширяться и охлаждаться. Расширение до недавнего времени замедлялось. Не запутайтесь: Горячий Большой взрыв почти наверняка начался не в самые ранние моменты жизни Вселенной.

Некоторые люди называют Горячий Большой взрыв (ГБВ) просто «Большой взрыв». Другие, говоря о Большом взрыве, подразумевают и более раннее время. Проблемы терминологии будут описаны в следующей статье про инфляцию.

Насколько горячим был ГБВ в самом горячем состоянии перед тем, как начать охлаждаться, и как он начался?

Наверняка нам это пока неизвестно. ГБВ мог начаться, когда Вселенная стала горячей по окончанию периода инфляции. В таком случае жар ГБВ произошёл от тёмной энергии, питавшей инфляцию, и максимальная температура ГБВ зависит от количества доступной тёмной энергии.

Температура могла быть:

• настолько большой, как большая доля процента планковской температуры (и тогда Вселенная была настолько горячей, что могла создавать чёрные дыры просто за счёт температуры), и
• настолько малой, как температура, соответствующая энергии Большого адронного коллайдера (и тогда её едва хватило бы для создания частиц Хиггса).

И, вероятно, не ниже этой отметки.

Иногда максимальную температуру ГБВ называют «температурой повторного нагрева», но слово «повторный» может привести к непониманию. Люди предполагали, что Вселенная была горячая как до, так и после инфляции, отсюда и «повторный нагрев» — и можно найти множество сайтов, книг, видео, изображений, демонстрирующих то же самое предположение — но оно ни на чём не основано.

Что произошло далее?

Мы вполне уверены, что нам известны основные вехи и множество деталей произошедшего за последующие 13,7 млрд лет. Вселенная постепенно расширялась (пространство становилось больше), и соответствующим образом охлаждалась и становилась более пустой. По сравнению с таким удивительным событием, как инфляция, последующий период был относительно скучным, хотя по пути встречались довольно важные вехи.

За несколько минут после начала ГБВ:

• Включилось поле Хиггса (т.е. его среднее значение стало ненулевым), что гарантировало, что многие из частиц, до этого не обладавших массой, включая кварки и электроны, встречающиеся в обычной материей, получили массу. С тех ранних пор значение поля Хиггса остаётся постоянным, по крайней мере, в наблюдаемой части Вселенной.
• Кварки, антикварки и глюоны, летавшие свободно, объединились и сформировали адроны, включая протоны и нейтроны.
• Сформировались первые ядра атомов, отличные от водорода, в результате чего во Вселенной оказалось довольно много гелия и немного дейтерия (тяжёлого водорода), а также лития. Позднее они стали ингредиентами для первых звёзд.

380 000 лет спустя всё достаточно сильно остыло для того, чтобы сформировались первые атомы, и с этого момента Вселенная стала по большей части прозрачным местом, таким, какой мы её видим сегодня. Свет, который тогда получил возможность свободно перемещаться по Вселенной, даёт нам «реликтовое излучение».

Примерно сто миллионов лет спустя начали формироваться первые галактики и зажглись первые звёзды. Точные временные рамки пока не установлены измерениями, но это пытаются сделать.

Сейчас мы живём примерно 13,7 млрд лет после начала ГБВ. Заметьте, что я не написал про «возраст Вселенной», или что она началась 13,7 млрд лет назад. Это нам точно неизвестно. Нам известно лишь, что ГБВ начался 13,7 млрд лет назад — но мы не знаем, был ли этот момент близок к началу всей Вселенной.

Инфляция

Эпоха инфляции была, вероятно, очень коротким, но наверняка красочным периодом, в котором пространство внутри участка Вселенной, включающего и нашу обозримую часть (ту, что мы можем наблюдать сегодня) стремительно расширялось с совершенно невероятной скоростью. Скорость расширения была такой большой, что это кажется безумием. И единственное, что удерживает эту идею от безумия -это то, что теория инфляции выдаёт предсказания, которые пока что согласуются с нашими измерениями космоса (включая и те, что делает проект BICEP2). Это не означает, что она верная, но это означает, что:

• есть уважительные причины считать, что она может быть верной, и
• на сегодня никто не может доказать, что она неверна.

Ещё раз: пространство расширялось. Не материя рвалась в пространство: пространство становилось гораздо больше. Это вообще не было похоже на взрыв.

Насколько безумной была скорость расширения? Участок Вселенной размером с экран вашего компьютера расширился до размеров наблюдаемой сегодня части Вселенной, или даже больше, за время меньшее, чем нужно кварку, чтобы перейти с одной стороны протона до другой. Я даже не буду пытаться заваливать вас числами, отчасти потому, что на самом деле мы не знаем, как долго длилась инфляция, но и ещё потому, что числа обозначают слишком крупные размеры и слишком мелкие промежутки времени, чтобы люди могли их себе представлять. По сути огромный кусок Вселенной был создан из крохотного кусочка почти мгновенно.

Какой была Вселенная во время этого расширения? Пустой. Чрезвычайно пустой. Гораздо, гораздо, гораздо более пустой, чем космос сегодня. Очень холодной. Очень тёмной. Всё, что могло присутствовать в ней до начала инфляции, мгновенно было разорвано и растащено на огромные расстояния. Предупреждение: есть достаточно важный и очень тонкий подвох, касающийся заявлений о пустой/тёмной/холодной Вселенной, и я пока не знаю, как точнее описать его. Было бы точнее сказать, что Вселенная была не просто «чрезвычайно» пустой, она была «максимально» пустой, тёмной и холодной — пустой от всего, кроме квантовых флуктуаций.

Что было до инфляции и как она началась, нам неизвестно. Существует несколько разумных теорий, основанных на науке, но все они будут спекуляциями, пока кто-нибудь не придумает способа проверить их при помощи измерений. Периода «до инфляции» может вообще не существовать — либо потому, что инфляция постоянно идёт где-то во Вселенной, или потому что время не будет иметь смысла, если вернуться достаточно далеко в прошлое, или по какой-то другой причине. Но во многих контекстах это почти не имеет значения, как я буду объяснять при помощи изображений, по пути отвечая на некоторые из часто задаваемых вопросов.

Что послужило причиной безумной скорости инфляции?

Причиной было большое количество того, что часто называют:

• «тёмной энергией» (но это не энергия, это определённая комбинация энергии и отрицательного давления), или
• «космологическая константа» ([не] ошибка Эйнштейна; к счастью, это не константа, или Вселенная испытывала бы инфляцию вечно), или
• «тёмное гладкое растяжение» (что верно, но звучит неуклюже и ничего не объясняет).

В общем во Вселенной сейчас есть немного этой субстанции, из-за чего скорость расширения Вселенной за последние несколько миллиардов лет начала увеличиваться. Но, мы подозреваем, что в какой-то момент по какой-то причине её было гораздо больше. Из-за чего район, содержащий нашу часть Вселенной, расширялся с невероятной скоростью, то есть, подвергался «инфляции». На рисунках 1, 2 и 3 содержатся необоснованные и наверняка неверные догадки по поводу того, почему началась инфляция, а на рис. 4 детали этих догадок уже не имеют никакого значения.

Рис. 1: совершенно необоснованная догадка по поводу того, как мог выглядеть один участок Вселенной перед началом инфляции. В сером участке по какой-то неизвестной причине содержится огромное количество тёмной энергии. Внутри серого участка я нарисовал несколько объектов, обозначенных зелёными и красными точками. Что находится вне серого региона, я понятия не имею, но в итоге это и не будет иметь значения.

Откуда взялось это огромное количество тёмной энергии?

Мы не знаем. Есть несколько предположений, некоторые из которых были отвергнуты полученными недавно данными. Мы надеемся узнать больше по этой теме в следующем десятилетии.

Рис. 2: тёмная энергия заставляет серый участок расширяться. Объекты в сером участке (зелёные и красные точки) разносятся в стороны с расширением пространства, содержащего тёмную энергию, которое становится всё более объёмным, при этом не двигаясь за пределы серого участка.

Почему скорость расширения не замедляется, если расширение разрежает тёмную энергию?

Странно и удивительно, что по мере инфляции Вселенной и роста её объёма количество тёмной энергии в пересчёте на единицу объёма остаётся постоянным. Это означает, что инфляция будет идти, и идти, и идти, не замедляясь, пока что-то не заставит тёмную энергию исчезнуть.

Рис. 3: поскольку тёмная энергия, в отличие от обычных материалов, не становится более разреженной по мере расширения пространства, и её плотность остаётся постоянной, серый участок продолжает расширяться. К этому времени все зелёные и красные точки, кроме одной, скрылись из виду. Какой бы ни была температура расширяющегося участка вначале, он становится очень холодным (максимально холодным, насколько это допускают условия).

Зелёные и красные точки удаляются друг от друга с огромной скоростью.

Не означает ли это невероятное расширение, что все вещи отдалялись друг от друга со скоростью, превышающей скорость света, универсальный предел скорости?

Да, так и есть.

Не нарушает ли это теорию относительности Эйнштейна?

Нет, не нарушает. Теория Эйнштейна говорит о том, что если два объекта проходят мимо друг друга в одной точке пространства, то для наблюдателя, движущегося вместе с одним из них, измеряемая скорость другого объекта никогда не будет превышать скорость света. Но два объекта в двух разных местах могут удаляться друг от друга быстрее скорости света, если расширяется само пространство. Именно это и происходит в расширяющейся Вселенной.

Рис. 4: суть эпохи инфляции. К этому моменту инфляция разнесла все объекты, существовавшие в сером участке на рис. 1 (красные и зелёные точки) на чрезвычайно большие расстояния друг от друга. Серый участок расширился до непостижимо огромного размера, стал ужасно пустым и холодным. А расширение может продолжаться и продолжаться в несколько этапов. Первоначальные догадки, показанные на рис. 1 и рис. 2, уже совершенно не связаны со свойствами этого участка Вселенной; если бы мы начали сильно отличной догадки на рис. 1 и 2, мы всё равно бы получили тот же самый рис. 4.

Я думал, что Большой взрыв был связан с очень горячей Вселенной. А теперь вы говорите, что она была очень холодной?

Да, так и есть. Ну, почти так. Она настолько холодная, насколько это возможно; однако наличие квантовых флуктуаций привносит свои особенности. Вселенная стала горячей после инфляции (об этом чуть дальше). Была ли она горячей в какой-то момент до инфляции, вопрос чисто умозрительный; никаких свидетельств «за» или «против» всё равно нет. Но во время инфляции температура упала до небольшой доли градуса выше абсолютного нуля.

Рис. 5: расширение испытывающего инфляцию участка замедляется. То, что со времнем станет наблюдаемой частью нашей Вселенной, уже достаточно крупное, чтобы его нарисовать — оно обозначено красным пунктиром.

Почему инфляция остановилась?

Мы не знаем. Есть, конечно, несколько научных предположений, с уравнениями, предсказаниями и способами их проверки — по крайней мере, частичной. Возможно, скоро мы узнаем об этом больше благодаря продолжающемуся изучению космоса.

Что случилось, когда инфляция остановилась?

Наилучшая из догадок (и наши уравнения говорят о том, что это возможно, но не сообщают деталей) — вся тёмная энергия превратилась в частицы, включая и те, из которых мы состоим, и во множество других типов известных нам частиц, и, возможно, в кучу частиц, о которых нам ничего не известно. И когда это произошло, Вселенная стала очень горячей и плотной — и продолжает расширяться, хотя и гораздо медленнее.

Рис. 6: по окончанию инфляции тёмная энергия, заполнявшая ранее расширявшийся участок, превращается в энергию движения и энергию массы частиц, появляющихся в огромных количествах, что делает Вселенную очень горячей. Чем больше тёмной энергии в единице объёма было во время инфляции, тем горячее Вселенная может стать после того, как разогреется. Крупный участок, распространяющийся гораздо дальше, чем показано, включающий то, что станет нашей наблюдаемой частью Вселенной, заполняется почти однородным горячим плотным супом из частиц. С этого момента Вселенная расширяется дальше, но гораздо медленнее, чем во время инфляции, и постепенно остывает.

Вот такой источник был у Горячего Большого Взрыва. Некоторые люди (включая меня) просто говорят: Этот момент является началом Большого взрыва. Другие говорят, что Большой взрыв включает в себя Горячий Большой Взрыв и инфляцию, хотя это странно — инфляция больше похожа на свист, а не на взрыв. Некоторые говорят, что инфляция привела к взрыву в «Большом взрыве», сначала сделав Вселенную большой и расширяющейся, а потом сделав её горячей. Ещё кто-то говорит, что в Большой взрыв входят Горячий Большой Взрыв, инфляция, и всё, что было до неё. Но это рискованное заявление — до инфляции могло быть что-то, что никак не заслуживает термина «взрыв» (энергетическое, насыщенное и внезапное событие).

Поскольку терминология пока не устоялась, вы можете сами решать, что именно называть термином «Большой взрыв». Важно лишь знать, что у вас есть несколько возможностей, и что разные учёные и разные сайты могут иметь в виду разные понятия, обозначаемые как «Большой взрыв».