[Перевод] Два Больших взрыва

Когда учёные говорят о «Большом взрыве», они имеют в виду две возможности. Но корректна лишь одна из них.

Эти теории основаны на гипотезе, по которой вся материя Вселенной была создана в одном большом взрыве в определённый момент в отдалённом прошлом
— Фред Гойл

Если задуматься о начале Вселенной с научной точки зрения, есть одна теория, лучше других описывающая всё, что мы видим: теория Большого взрыва. Но не все соглашаются с тем, что именно означает «Большой взрыв».

Точнее, некоторые новые утверждения говорят о том, что может быть никакого Большого взрыва и не было. Имеют ли они право на жизнь? И что это может означать?

Чтобы понять это, давайте вернёмся на 100 лет назад, когда мы в первый раз решили детально рассмотреть определённый класс небесных объектов – тусклую спираль и эллиптическую туманность.

Сегодня легко посмотреть на эти объекты и сказать: «А, так это ж галактики!». Но сто лет назад это не было настолько понятно. Наши телескопы были слишком плохи, чтобы разглядеть в этих объектах индивидуальные звёзды, из которых они состояли, и поэтому их считали просто разновидностью туманности. Но у них было нечто очень странное: скорость.

Видите ли, у каждого элемента есть свой характерный спектр – набор линий, который он поглощает или испускает – и это спектр фиксирован на определённых длинах волн. Водород, к примеру, всегда испускает линии на 656, 486, 434 и 410 нм, каждая из которых связана с переходом атомной энергии. А в этих спиралях и эллиптических туманностях появлялись все линии поглощения, но они были сильно смещены от обычных.

Самое простое объяснение? Не новые типы элементов или законы физики. Просто эти объекты быстро двигались к нам или от нас. Как у звука – например, сирены полицейской машины – меняется высота, в зависимости от того, двигается он от нас или к нам, так и у удалённого объекта длина волны света будет изменена в зависимости от того, двигается он от нас или к нам.

Если он двигается к нам, свет сдвигается к синему концу спектра. Если от нас – к красному. В начале ХХ века Весто Мелвин Слайфер обнаружил, что у подавляющего большинства спиральных объектов свет был сдвинут в красный спектр, да так сильно, что они двигались быстрее всех известных объектов во Вселенной!

Но лишь к 1920 годам люди начали собирать кусочки этой головоломки. Эдвин Хаббл – именем которого назван известный телескоп – наблюдал вспышки в этих спиралях в поисках сверхновых. К своему удивлению, при наблюдении за Андромедой он обнаружил первую, затем вторую, затем третью. А потом он увидел четвёртую в том же месте, где была первая! Он сразу понял, что это была не сверхновая, а переменная звезда. А благодаря пониманию природы переменных звёзд он мог подсчитать расстояние до объекта и обнаружил, что он находится вне нашей галактики.

Конечно, когда он понял, что в спиральных объектах содержатся звёзды, он не стал на этом останавливаться. Он стал мерить расстояния до десятков других галактик, и, скомбинировав полученные данные с данными Слайфера по скорости, он нашёл нечто примечательное: в среднем, чем дальше от нас была галактика, тем быстрее она отдалялась от нас.

Так и родилась расширяющаяся Вселенная.

В рамках ОТО пространство-время, наполненное материей или излучением в разных местах – а у нас оно именно такое – не особо хорошо умеет оставаться статичным. Оно либо расширяется, либо сжимается, в зависимости от содержания энергии. Сегодня наша Вселенная расширяется, двигаясь от более плотного состояния в прошлом.

Также это означает, что поскольку энергия света (излучения) зависит от его длины волны, то, если Вселенная раньше была меньше, значит, она была горячее и энергии в ней были выше.

А что, если мы экстраполируем это назад? Представим, что Вселенная такая, какая есть, но сделаем её меньше и горячее в прошлом. Как оно всё было бы, если бы мы отправились в прошлое достаточно далеко?

В итоге можно прийти к такому горячему и плотному состоянию, что атомы не смогут формироваться; везде будет горячая ионизированная плазма.

Ещё раньше не смогут формироваться атомные ядра; протоны и нейтроны будут разлетаться, и создадут море свободных частиц без всякого вещества кроме водорода.
До этого, материя и антиматерия спонтанно создаются парами, создавая все известные (а, возможно, ещё пока даже и не открытые) частицы во Вселенной.

И наконец, если мы отправимся ещё дальше в прошлое, где всё было сколь угодно, а возможно, и бесконечно горячим и плотным, мы приходим к сингулярности: месту, где всё время, пространство и энергия сконцентрированы в одной точке. И эта идея, что всё появилось из «космического яйца», из «первозданного атома» или из «сколь угодно горячего и плотного состояния» и известна сегодня под именем Большого взрыва.

Вот только это было оригинальное определение Большого взрыва. С тех пор, как эту идею озвучили, мы узнали о Вселенной очень много нового. Конкретно, мы узнали, что кроме материи и излучения, Вселенная также содержит энергию, присущую самому пространству, или тёмную энергию, или космологическую константу, или энергию вакуума (это синонимы).

Сейчас её относительно мало, но на ранних стадиях её было нереально много.

Именно так: до эпохи доминирования материи и излучения во Вселенной преобладала энергия, присущая самому пространству. Эту теорию впервые предложили в 1970-1980-х годах, и подтвердили наблюдениями в начале 1990-х. Мы говорим о космологической инфляции (или об инфляционной Вселенной): о времени, когда во Вселенной преобладала не материя с излучением, а энергия, присущая самому пространству.

А Вселенная, в которой преобладает энергия вакуума, или инфляция, развивается не так, как Вселенная с преобладанием материи или излучения.

Может показаться, что отличаются они в мелочах, но при этом расширяются с заданной скоростью, начиная с какого-то момента. Но так ли это? Посмотрим на самое начало.

Синяя и красная линии – традиционный сценарий Большого взрыва, где всё начинается во время t = 0, включая и пространство-время. Но в случае инфляции (жёлтый) мы не доходим до сингулярности. Вместо этого мы можем дойти до сколь угодно малого размера в прошлом, а время идёт назад в бесконечность.

Вселенная, где преобладает материя или излучение, появляется из сингулярности, в момент, когда пространство и время сами появляются впервые, а в инфляционной Вселенной такого момента не существует.

Иначе говоря, та точка, из которой по нашим представлениям появились пространство и время, не обязательно должна быть частью Большого взрыва, даже если в начале Вселенной есть инфляционная фаза.

Когда специалисты по космологии – это подразделение астрофизики, занимающееся рождением и эволюцией Вселенной – говорят про Большой взрыв, они имеют в виду одно из двух:
Горячее, плотное, расширяющееся состояние, из которого возникла наблюдаемая Вселенная, которое расширялось, охлаждалось, и породило элементы, атомы, звёзды, молекулы, планеты и нас.
Изначальную сингулярность, представляющую рождение пространства и времени

Проблема в том, что если в 1960-х эти объяснения были взаимозаменяемыми, то теперь это не так.

Первое объяснение – горячее, плотное, расширяющееся состояние – всё ещё имеет смысл в роли Большого взрыва, но второе – уже нет. По вопросу о том, откуда появились пространство и время, до сих пор идут дебаты с обеих сторон, и эта недавняя работа – всего лишь капля в океане этих споров.

Главное, что нужно из этого уяснить – Большой взрыв, хотя и представляет собою то, откуда появилось всё, что мы видим во Вселенной, но не является самым её началом. Мы можем вернуться назад, до того времени, как это объяснение имеет смысл, в инфляционную Вселенную, и у нас есть достаточно оснований для споров и обсуждения уточнений того, что именно это означает для начала всего того, что мы знаем.

Но был ли Большой взрыв? Согласно первому определению – да, конечно. А если вы используете второе, вам лучше переосмыслить используемый термин. Даже если вы не один его используете – делаете ли вы это правильно?