Была ли Вселенная до Большого взрыва? Физики пришли к выводу, что эта идея — лишь красивая сказка
Человечество всегда тяготело к идее цикличности. Смена времён года, круговорот жизни и смерти — всё это наводит на мысль, что и у самого Космоса может быть свой бесконечный ритм: расширение, сжатие и новое рождение. Идея «вечного возвращения», воспетая философами, нашла своё отражение и в космологии — в гипотезе циклической Вселенной.
Эта красивая картина предполагает, что наш Большой взрыв был не уникальным событием, а лишь одним из эпизодов в бесконечной череде «Больших отскоков». Вселенная сжимается до невообразимой плотности, а затем, словно мяч, отскакивает, начиная новый цикл расширения. Однако недавние исследования в области теоретической физики наносят этой элегантной концепции серьёзный удар. Похоже, законы нашего мира, какими мы их знаем, не оставляют места для космического «дня сурка».
Два сценария: Большой взрыв против Большого отскока
Чтобы понять суть спора, нужно разобраться с двумя фундаментально разными взглядами на рождение нашего мира.
С одной стороны, у нас есть стандартная модель — Большой взрыв. Она гласит, что Вселенная возникла из состояния с бесконечной плотностью и температурой, известного как сингулярность. Это, по сути, точка, где наши уравнения и само представление о пространстве-времени «ломаются». Для физиков сингулярность — это не столько ответ, сколько признание того, что наши лучшие теории, включая общую теорию относительности Эйнштейна, перестают работать. Это раздражающий барьер, за который невозможно заглянуть.
С другой стороны, есть гипотеза Большого отскока. Она предлагает куда более изящное решение. Согласно ей, никакой сингулярности не было. Наша Вселенная — результат сжатия предыдущей, которая, достигнув критической, но конечной плотности, оттолкнулась от самой себя под действием пока неизвестных нам квантовых сил. Эта модель устраняет проблему «начала времён», превращая историю космоса в бесконечную эстафету.
Так какой же сценарий вернее? Долгое время казалось, что ответ скрыт в той области, где гравитация встречается с квантовым миром.
Тень Пенроуза: Неизбежность коллапса
Первый серьёзный удар по идее отскока нанёс ещё в 1965 году великий физик и математик Роджер Пенроуз. Работая в рамках общей теории относительности, он математически доказал, что при достаточно сильной гравитации (например, внутри чёрных дыр или в момент зарождения Вселенной) формирование сингулярности неизбежно.
Теорема Пенроуза, по сути, гласила: если верить Эйнштейну, то пространство-время обречено на разрыв. Это был мощный аргумент в пользу Большого взрыва с его загадочной начальной точкой. Однако у этой теоремы была одна важная оговорка: она не учитывала эффекты квантовой механики. А ведь именно квантовые законы должны были вступить в игру в тот момент, когда Вселенная была сжата до микроскопических размеров. Многие физики надеялись, что именно квантовая механика станет тем «спасательным кругом», который предотвратит коллапс в сингулярность и обеспечит тот самый «отскок».
Квантовый аргумент: Новая глава в споре
И вот здесь на сцену выходит недавняя работа Рафаэля Буссо из Калифорнийского университета. Он решил проверить, что произойдёт, если добавить в уравнения Пенроуза тот самый недостающий ингредиент — квантовую физику.
Вопреки ожиданиям, результат оказался ошеломляющим. Буссо показал, что учёт квантовых законов не только не спасает Вселенную от сингулярности, но, наоборот, делает её возникновение ещё более вероятным. Его анализ, основанный на обобщённом втором законе термодинамики (который связывает энтропию, гравитацию и информацию), «категорически исключает» сценарии циклической Вселенной в широком диапазоне условий.
Позвольте объяснить. Если работа Пенроуза была основана только на гравитации, то Буссо добавил к ней термодинамику чёрных дыр — одну из самых плодотворных областей на стыке квантовой теории и теории относительности. И вывод оказался неумолим: с точки зрения этой объединённой картины мира, Вселенная просто не может «отскочить». Путь в сингулярность — это улица с односторонним движением.
Не всё так однозначно: Дьявол в деталях
Значит, всё решено и идея вечного возвращения мертва? Не совсем. Как это часто бывает в фундаментальной науке, у нового открытия есть свои нюансы.
Во-первых, сам инструмент, который использовал Буссо, — обобщённый второй закон термодинамики — является очень мощной и общепринятой гипотезой, но пока не имеет статуса стопроцентно доказанной теоремы. Это оставляет лазейку для скептиков.
Во-вторых, существуют экзотические модели, которые могут обойти ограничения теоремы Буссо. Например, работа Сурджита Раджендрана и его коллег описывает «отскакивающую» Вселенную, но для её существования требуются дополнительные, не наблюдаемые нами пространственные измерения. Это уже область чистой теории, но она показывает, что физики не спешат сдаваться.
Этот спор важен не только для понимания нашего прошлого. Он напрямую связан с главной загадкой современной физики — созданием теории квантовой гравитации. Исключая возможные сценарии, такие как Большой отскок, учёные сужают круг поисков. Они лучше понимают, какие именно свойства должна иметь эта будущая «теория всего», чтобы адекватно описать самые экстремальные состояния материи — будь то сердце чёрной дыры или миг рождения нашего мира.
Что дальше? Гравитационные волны и судьба космоса
В конечном счёте, точку в этом споре поставит не теория, а наблюдение. И главный кандидат на роль «свидетеля» рождения Вселенной — это гравитационные волны. Эти колебания самой ткани пространства-времени могли сохранить отпечатки самых ранних событий. Если во Вселенной действительно произошёл отскок, его «эхо» должно было остаться в гравитационно-волновом фоне.
Проблема в том, что предполагаемые частоты этих волн пока недоступны для наших детекторов, таких как LIGO. Потребуются новые, более чувствительные обсерватории, создание которых — вопрос не только технологий, но и политической воли и финансирования.
Как метко заметил Сурджит Раджендран, вопрос сводится к двум вещам: «Окажется ли наш мир настолько добр, чтобы породить достаточно сильный сигнал? И будет ли нынешний мир достаточно добр, чтобы позволить учёным построить эксперименты для его обнаружения?»
Так что пока романтическая идея о вечно пульсирующем космосе терпит поражение на полях математических формул. Возможно, наша Вселенная действительно имела уникальное начало и движется к своему уникальному концу. А может, мы просто ещё не нашли нужный ключ к главной загадке бытия. В любом случае, поиски продолжаются.
