Как возникла Вселенная: что не так с Большим взрывом и сингулярностью
Это означает, что вся Вселенная становится больше с каждым днем, а в прошлом она была меньше, чем сегодня. Как предполагает физика, наша Вселенная когда-то была бесконечно крошечной и бесконечно плотной точкой – сингулярностью.
Простыми словами – о возникновении нашей Вселенной
Большинство физиков считают, что первичная точка (сингулярность) расширилась во время Большого взрыва. Однако известная нам физика не работала в экстремальных условиях зародышевого состояния нашей Вселенной. Поэтому трудно с уверенностью сказать, что именно происходило в те древнейшие моменты.
Возвращаясь в прошлое
На протяжении большей части своей истории Вселенная была усеяна похожими небесными объектами на те, которые есть и сейчас. Просто они располагались ближе друг к другу. К примеру:
- Когда нашей Вселенной было 380 000 лет, ее объем был примерно в миллион раз меньше, чем сегодня, а средняя температура достигала 10 000 Кельвинов. Он был горячим и плотным – настолько, что это была плазма, то есть состояние материи, где атомы буквально разрываются на протоны, нейтроны и электроны.
- Когда Вселенной было десять минут, она была интенсивным супом из протонов, нейтронов и электронов (сопоставим с условиями в ядерных реакторах).
- А когда Вселенной исполнилось одна секунда. У нас нет ни одной теории в физике, которая могла бы справиться с безумно высокими температурами и давлением, которые испытывала Вселенная в тот момент.
Временная шкала Вселенной на основе теории Большого взрыва и моделей инфляции / Фото NASA-WMAP
Рождение сингулярности
Физики могут составить схему роста Вселенной, используя общую теорию относительности Эйнштейна, связывающую содержимое космоса с историей его расширения. Но теория Эйнштейна содержит роковую ошибку.
- Если мы придерживаемся общей теории относительности, то должны признать, что вся наша Вселенная была вдавлена в одну бесконечно плотную точку в момент своего возникновения. Ее и называют сингулярностью Большого взрыва.
- Сингулярность часто называют началом Вселенной. Но разве это начало? Сингулярность Большого взрыва сама по себе не говорит нам о том, что Вселенная началась именно там и именно тогда.
Но пока ее нет. Возможно, мы никогда не узнаем, что стало причиной Большого взрыва. Наши представления о времени и пространстве разрушатся. А вроде бы повседневные понятия, как «начало» и «до», могут полностью потерять смысл.
Как возникла Вселенная и что с ней будет дальше?
Астрофизик Борис Штерн о том, что было до Большого взрыва, и о том, за что в самом ближайшем будущем дадут Нобелевскую премию
Борис Штерн
В Лектории Политехнического музея астрофизик и один из основателей и главный редактор газеты «Троицкий вариант» Борис Штерн прочитал лекцию о происхождении Вселенной.
Моя лекция будет немножко нестандартной. Обычно лектор сначала что-то рассказывает, а люди потом задают вопросы. Но сперва я задам вам три или четыре вопроса, чтобы размяться и заодно протестировать аудиторию. Как на ЕГЭ — вопрос и несколько вариантов ответа. А вы поднятием рук будете голосовать. Заодно повеселимся немножко.
Первый вопрос: возраст Вселенной. И три варианта: Вселенная существует вечно, ее возраст 20 млрд лет или 14 млрд лет (правильный ответ — 14 млрд лет. — Ред.). Следующий вопрос: размер Вселенной. И варианты: 14 млрд световых лет, Вселенная бесконечна, размер Вселенной неизвестен, но он точно больше 14 млрд световых лет (правильный ответ — размер неизвестен. — Ред.). Третий вопрос: температура Вселенной. Ноль градусов, три градуса Кельвина, у Вселенной нет температуры (правильный ответ — три градуса Кельвина, а точнее, два и семь. — Ред.). С температурой разобрались, теперь вопрос: сколько измерений у Вселенной? Три, четыре или одиннадцать? На самом деле это дело вкуса — либо четыре, либо одиннадцать. И то, и другое правильно.
Что такое космология? Это наука о Вселенной как целом. «Земля на трех китах» — это космология. И «хрустальная сфера» тоже. Но первая космологическая теория, которую вообще как-то можно обсуждать в рамках науки, — это бесконечная вечная Вселенная, идущая от Джордано Бруно и Галилея. Правда, уже в XIX веке было понятно, что что-то не так с этой бесконечностью. Первый парадокс — так называемый парадокс Ольберса — почему ночью небо темное. Из простой геометрии бесконечной Вселенной: любой луч в любом направлении упрется в звезду, и все небо должно сиять, как поверхность Солнца, и все в такой Вселенной сгорит. Другой парадокс — гравитационная неустойчивость Вселенной. Она должна сжиматься комками все больше и больше. Третий парадокс — температуры везде во Вселенной должны выровняться. Люди думали: да, парадоксы, конечно, серьезные, но как-нибудь это все рассосется, найдет наука выход из этого тупика. Но — не рассосалось. То, что я рассказываю, — первая революция в космологии — 1916 год. А все началось с публикации общей теории относительности Эйнштейна. Вот они, герои первой космологической революции, которая опровергла парадигму бесконечной вечной Вселенной.
Альберт Эйнштейн и его теория гравитации (он сам не сразу понял, что это приговор бесконечной Вселенной). Александр Фридман, который первым сказал, что Вселенная не стационарна и что это следует напрямую из теории Эйнштейна: Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Жорж Леметр — последователь Фридмана, который независимо от своего предшественника все это повторил. И Эдвин Хаббл, открывший, что Вселенная расширяется. Хаббл ошибся в семь раз, рассчитывая скорость расширения Вселенной, — ну там просто сработало несколько ошибок в одну сторону, и по Хабблу получалось, что возраст Вселенной — всего лишь два миллиарда лет. А уже тогда было ясно, что она старше. Противоречие это несколько затормозило процесс, и до 1960-х годов очень много людей — ученых в том числе — отвергали теорию расширяющейся Вселенной. А теологам, что характерно, она, наоборот, сразу понравилась, потому что это фактически вариант творения Вселенной. С переменным успехом теория, которая в 1940-х получила название «теория Большого взрыва», просуществовала до конца 60-х годов. До этого Вселенная была вместилищем всего сущего, но после вмешательства Фридмана, Эйнштейна, Леметра и Хаббла она свой статус потеряла и превратилась в физический объект с разными характеристиками: размер, плотность, температура, свет. А как представить себе этот физический объект? И вот здесь многие ломаются. Потому что как это — представить замкнутую Вселенную? Я сейчас это объясню, и дальше слушать будет легче. Легко себе представить бесконечную Вселенную, правда? А как себе представить конечную Вселенную? Проще всего, наверное, представить себе шарик, на поверхности которого нарисованы галактики, звезды. Шарик можно надувать — тогда он будет расширяться, и нарисованные галактики будут друг от друга удаляться. Очень важно понимать, что у такого расширения нет центра. Почти всегда, представляя себе Большой взрыв, люди думают, что где-то что-то в какой-то точке взорвалось и расширяется в пустоту. Ничего подобного, нет никакой пустоты. Это именно замкнутое пространство, которое легче нам представить на поверхности шарика, которое все расширяется само по себе. В нем нет пустоты, оно однородно, и в нем нет центра.
Против теории Большого взрыва всегда протестовал Фред Хойл, талантливейший астрофизик, — ему не нравилась сама эта идея. Хотя термин «Большой взрыв» придумал именно он. Вообще говоря, «Большой взрыв» — это плохой перевод. Реально по-английски это звучит как «Big Bang», «большой бэмс», хлопок. Хойлу, как я уже сказал, хлопок этот не нравился. Он считал, что Вселенная бесконечна и вечна. Ну да, еще и расширяется, но расширение это компенсируется тем, что каждый год в одном кубическом километре из ничего рождается один протон и один электрон. Таким образом, плотность поддерживается постоянная. И эти новые частицы потом сгущаются в галактики… Но в действительности они не сгущаются, и это одна из проблем теории Фреда Хойла, которая на самом деле очень красивая: мы живем в вечной Вселенной, там решаются парадокс Ольберса и проблема тепловой смерти, жить в такой Вселенной прекрасно, но — она невозможна. И тому есть множество аргументов и одно прямое опровержение. Его предложил Георгий Гамов, наш соотечественник. Он говорил, что Вселенная изначально была горячей и от этого должно было остаться так называемое реликтовое излучение. Это была довольно интересная история: излучение начали искать сознательно, а нашли несознательно. Нашли его Арно Пензиас и Роберт Вилсон, которые работали в компании Веll Laboratories, занимавшейся космической связью.
Они отлаживали антенну и никак не могли избавиться от какого-то постороннего шума. В конце концов канадский астроном Джим Пиблс, который в то время преподавал в Принстоне и сознательно искал реликтовое излучение, сказал им: «Ребята, вы — верите вы в это или нет — сделали великое открытие». Вскоре после этого Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию. И вот тогда уже стало очень сложно противостоять концепции Большого взрыва. Но Фред Хойл продолжал сопротивляться. В конце жизни он заработал себе репутацию настоящего фрика, из-за чего во многом и не получил Нобелевскую премию, которую, безусловно, заслуживал. До конца своих лет — а прожил он до 2002 года — он не признавал Большого взрыва. И все равно — великий ученый. Великие заблуждения иногда так же полезны для науки, как и великие открытия.
Теория Большого взрыва устоялась — в нее поверили практически все вменяемые люди, кроме Фреда Хойла и еще нескольких человек. Когда я говорю «вменяемые люди», я имею в виду ученых — простой человек совершенно не обязан верить ни во что. Но остались вопросы. Например: почему Вселенная так велика и сбалансирована? Чуть-чуть что-то изменим в начальных условиях — все либо разлетелось мгновенно на космологические расстояния, либо схлопнулось. Очень точно надо было подстроить вот этот самый начальный толчок, чтобы Вселенная получилось такой большой с одной стороны и такой медленно разлетающейся с другой. Или вот еще вопрос: а почему Вселенная всюду примерно одинакова? Когда началось расширение — в начале Большого взрыва — разные области Вселенной ничего друг о друге не знали. Они просто не успели обменяться сигналами, потому что есть ограничение — скорость. А как они узнали, что надо начать расширяться одновременно? Как синхронизовались их плотность и температура? Во Вселенной ведь очень много всего — одних только частиц десять в 90-й степени! И наконец: что послужило начальным толчком?
Давайте сначала разберемся с тем, какие были начальные условия. Мы не знаем. Теологи говорили: «Это как раз по нашей части: начальный толчок, да еще хорошо устроенный, — понятно, что это Творец». И так продолжалось до 1980-х годов, пока не началась Вторая космологическая революция. И вот ее герои.
Именно в такой последовательности — справа налево. Алексей Старобинский — живет в Москве, работает в Институте теоретической физики им. Ландау. Алан Гут — преподает в Принстоне. Вячеслав Муханов — окончил Физтех, писал диплом и защищался в ФИАНе, сейчас работает в Германии. Андрей Линде из ФИАНа — сейчас в Стэнфорде. Все четверо — будущие нобелевские лауреаты. Правда, к сожалению, их четверо, а надо троих… Но выделить кого-то одного тяжело — они все мудрецы. Что же такого они сделали? Так получилось, что они почти одновременно разработали теорию космологической инфляции, или инфляционную модель Вселенной. Я уже говорил: Вселенная — это поверхность шарика, только не двумерная, а трехмерная (точнее, даже четырехмерная, так как у нее есть время плюс три пространственные координаты). Когда-то Вселенная была очень маленькой. Какие силы на нее действовали? Или — можно на другой язык перевести — какие силы есть в вакууме? Почти никаких. А на поверхности шарика какие силы могут действовать? Сила поверхностного натяжения? А что будет, если мы подставим силу поверхностного натяжения в теорию гравитации Эйнштейна? На самом деле это очень просто показать, но надо писать простейшее дифференциальное уравнение, а я не буду это делать. Ответ такой: сила поверхностного натяжения будет не сжимать, а со страшной силой расталкивать шарик. Если она сильная, шарик будет раздуваться. «Раздувание» по-английски «inflation», оттуда и термин. Одна из загадок природы — энергия вакуума равна нулю. Если когда-то, в самое первое мгновение Вселенной, эта энергия была положительной (а вакуум с положительной плотностью энергии — это отрицательное давление) и если мы такой вакуум подставим в уравнение Эйнштейна, то увидим, что он растягивает пространство со страшной силой в геометрической прогрессии. За каждый определенный промежуток времени Вселенная удваивается в своем размере, но при этом остается самоподобной, то есть вакуум не меняется. Вселенная в два раза расширилась, а все в ней осталось тем же. В следующий момент она еще в два раза расширится, но локально она везде одинакова. И что же дальше? Вселенная со страшной скоростью расширяется. А если она расширяется уже сто времен с удвоением? Значит, она расширилась с какого-то изначального показателя на шестьдесят порядков? А что случилось с этим расширением? Тяжелый вакуум, вообще говоря, не самая стабильная вещь — он может просто выгореть. Но когда у системы есть какое-то состояние плотное, то понятно, что она хочет избавиться от этой энергии, перейти в более низкое энергетическое состояние. И что при этом происходит? Вакуум горит, передает свою энергию частицам и перестает быть вакуумом. И вот когда он передал свою энергию, родилась горячая Вселенная, произошел Большой взрыв. Вот такой сценарий написали эти люди. И это единственно правильный ответ. Что было до Большого взрыва? Инфляция Вселенной.
Если Вселенная — это физический объект, то значит ли это, что она одна?
Но что было до инфляции? И это более сложный вопрос. Правильно будет сказать: до инфляции не было классического времени. Это так называемая Планковская эпоха, или Планковское состояние. У него есть определенная плотность энергии, и там вообще не работает теория Эйнштейна, там нет ни пространства, ни времени в нашем понимании. Там есть некие кванто-механические величины, которые мы пока не умеем описывать, потому что это чудовищно сложная теория; это то, что называется квантовой гравитацией, и это пока что больше заклинание, чем теория. Такой теории попросту еще нет — она не сформулирована. Поэтому на вопрос, что было до инфляции, мы ответа не имеем. У нас есть только соображения, мало чем подкрепленные.
Я назвал имена четырех будущих нобелевских лауреатов. А кто из них что сделал? Первый — Старобинский — написал очень хорошую модель. Он придумал, откуда берется тяжелый вакуум и что с ним дальше происходит. Он получил его естественным образом. Но он не понял, похоже, всех следствий своей модели — насколько она решает все космологические проблемы. Это понял Алан Гут (правда, не для модели Старобинского, а для своей собственной). Его модель, откровенно говоря, была плохой, неправильной, в ней были прямые ошибки. Но он написал настолько хорошую и хорошо аргументированную работу — объяснил, откуда что берется, как тяжелый вакуум решает все проблемы,— что его считают отцом теории инфляции. Даже когда стало понятно, что он ошибся, все равно осталось ощущение, что он самый главный. Андрей Линде выправил сценарий Гута и показал, как на самом деле все работает. А Слава Муханов сделал еще одну очень важную вещь, но о ней чуть позже.
Все ответы были даны. Все поверили, что инфляция и есть тот самый начальный толчок, который сделал все правильно, сбалансированно. Теперь понятно, почему Вселенная всюду одинаковая, однородная. Есть еще одна приятная вещь — здесь нет никакого нарушения сохранения энергии. Энергия рождается из чего-то очень-очень маленького, но это не страшно, потому что суммарная энергия Вселенной — с точки зрения стороннего наблюдателя, если бы такой существовал, — равна нулю. Вселенная дается даром. Теперь следующий вопрос. Хорошо, сработала инфляция, дала нам однородную Вселенную, но мы-то видим, что она неоднородная. Мы-то видим, что есть звезды, есть галактики, а в больших масштабах она похожа на какую-то сетку, где волокна, какие-то пустые места.
Мегапарсеки — сотни миллионов световых лет. Каждая точка здесь — это не галактики даже, а скопления галактик. Если мы видим структуры, если знаем, что они были во Вселенной изначально, значит, мы их должны видеть и в реликтовом излучении. Пензиас и Вилсон его зарегистрировали, и если мы будем очень хорошо его мерить, то должны будем заметить пятнистость излучения. А ее долго не видели. И даже начали изобретать всякие теории, чтобы как-то обойтись без этой пятнистости. В какой-то момент людям стало очень дискомфортно, потому что они не видели пятнистости на уровне десять в минус пятой, глядя в крупнейший в мире радиоантенный телескоп российского происхождения «РАТАН-600». И действительно, я помню это время, эти конференции, и тот же самый Линде говори: «Ребята, мы в тупике». Но в 1992-м все-таки увидели эту пятнистость. Американский спутник COBE и наш «Реликт» что-то увидели, но качество снимков было ужасное. Буквально было непонятно, на что смотрим, — реликт это или артефакты какие-то? Но разглядели! И теория выжила, и все вздохнули с облегчением. А откуда взялось это «десять в минус пятой»? Как раз Слава Муханов это и вычислил.
Все знают, что есть такая наука, как квантовая механика, которая не позволяет ничему находиться в покое. В том числе она не позволяет быть пространству строго однородным. Сейчас флуктуации кривизны пространства ничтожны, потому что кривизна очень маленькая и силы, в ней действующие, тоже маленькие. На стадии инфляции Вселенной все эти квантовые флуктуации давали неоднородности, одни из них растягивались, другие как бы рождались заново. Это был конвейер! Когда Вселенная перешла в горячую стадию, когда вакуум выгорел, эти флуктуации остались и продолжали жить, продолжали расширяться вместе с Вселенной и в конце концов начали расти. И вот они выросли в эту структуру. Все наши галактики, все эти гигантские скопления галактик получились в результате кванто-механических эффектов. Мы привыкли к тому, что квантовая физика — это что-то маленькое, почти микроскопическое. Так вот, эта микроскопическая теория дала гигантские неоднородности размером в сотни мегапарсеков. Да и нас самих бы не было без них. Люди какое-то время не могли в это поверить, но сейчас это уже общее место.
На новом витке Второй космологический революции — в 2002 и в 2009 годах — в космос запустили два очень хороших аппарата. Американский WMAP и европейский «Планк». Оба — микроволновые телескопы, которые очень хорошо измеряют реликтовое излучение. Вот картинка, полученная WMAP, и та же картинка того же участка неба от «Планка». Качество сильно отличается, хотя, забегая вперед, скажу, что все сливки снял WMAP («Планк» добавил мало нового).
Вот карта реликтового излучения: где желтая — там ярче, где синее — там холоднее. Контраст не очень: самое яркое от самого темного отличается всего на одну десятитысячную. Здесь также вычтены все фоны, вычтена так называемая дипольная компонента, которая связана с нашим движением в пространстве. То есть это вычищенная карта, а что мы на ней можем увидеть? Правильный ответ: ничего. Много людей пыталось здесь что-то разглядеть. Например, аномально холодное пятно. Или какие-то пальцы, похожие на листья. Роджер Пенроуз, замечательный ученый, который в старости начал заниматься экзотическими космологическими теориями, видел на картинке концентрические круги. Какие-то люди даже нашли здесь антисмайлик и лик Христа на Туринской плащанице. На самом деле здесь не видно ничего. Некоторые здесь видят что-то, но это так же, как мы и в облаках находим барашков всяких, крокодилов. Человеческий глаз может быстро выхватить что-то узнаваемое из совершенно хаотичной картинки. Более того, есть специальная теорема, подтвержденная измерениями, что на этой картинке в принципе ничего нельзя увидеть, потому что она гауссова. Такой математический термин, который на житейском языке означает, что перед нами нагромождение пятен разного размера, никак не коррелированных друг с другом.
Но что же тогда из этой картинки реально можно узнать? Оказывается, многое. И первым, кто нашел эффект, по которому это стало возможно, был Андрей Дмитриевич Сахаров.
Старинная его работа 1963 года — еще до открытия реликтового излучения — так называемые сахаровские акустические осцилляции. Возьмем график. С ним можно проделать операцию, называемую «разложение Фурье»: надеюсь, многим это словосочетание знакомо, в школе, по-моему, это еще не учат, но на первых курсах института точно проходят. «Разложение Фурье» записи звучащей струны будет выглядеть как бесконечно узкий пик. Если струна плохая — получится бугор. «Разложение Фурье» ноты, взятой певцом, — это более широкий бугор с широкими крыльями. Наша речь — это «разложение Фурье» в виде появляющихся и исчезающих бугров. Оно на этой картинке говорит об очень простой вещи. Мы видим колеблющуюся картинку. И все благодаря Андрею Дмитриевичу, который показал, что в горячей Вселенной начинают ходить звуковые волны (условно звуковые: понятно, что это не человеческий звук — другие частоты, другие длины, другие скорости). Потом звуковые волны вдруг потеряли скорость и вообще замерзли. И вот в тот момент, когда звуковые волны замерзли, — а это 380 тысяч лет от начала Вселенной, ее детство — Вселенная изменила состояние. Была горячей плазмой, а стала нейтральной. У нее резко упало давление, звуковые волны замерзли — только одни волны замерзли в максимуме своей амплитуды, другие в минимуме, и в зависимости от длины волны мы будем знать ее амплитуду. Вернемся к рисунку. Зеленым начерчена теоретическая кривая. В ней есть некоторые произвольные параметры, которые подогнаны под то, чтобы кривая совпадала с красными точками. И этих параметров шесть штук. Это на самом деле необыкновенно мало для такой кривой. Я не являюсь профессиональным космологом и всю жизнь занимался астрофизикой, но когда я впервые глянул на эту картинку, то испытал шок. Как можно все так хорошо описать? Конечно, для космологов, которые этим занимаются давно, ничего шокового тут нет — они к этому подходили постепенно, многие годы. Над теорией горячей Вселенной работали десятки человек, если не сотни. И если им это удается до сих пор, значит, теория и вправду хорошая. Значит, хорошо люди понимают, как расширялась Вселенная, что в ней происходило и как это потом транслировалось в реликтовое излучение, которое мы измеряем.
Есть довольно важные вещи в этой кривой еще. Например: насколько наша Вселенная плоская, евклидова? Насколько велик этот наш пузырь? Видим ли мы его кривизну? Не видим. Что это значит? Что Вселенная, по крайней мере, в сто раз больше, чем участок, который мы видим. Инфляция очень быстро раздувает Вселенную до гигантских размеров. И мы сидим на микроскопическом кусочке — одной миллиардной, может быть, от всего размера Вселенной.
Теперь пару слов вообще об истории и о будущем Вселенной. На слайде вы видите всю историю Вселенной после начала Большого взрыва, то есть инфляцию я оставил за началом координат. Далее Вселенная расширялась по степенному закону. Потом ничего не происходило во Вселенной — и это называется «великая энергетическая пустыня». Очень вероятно, что что-то там все-таки происходило, но мы ничего про это не знаем, и пока что все эксперименты на ускорителях не дали нам никаких оснований думать об обратном. Дальше во Вселенной произошел фазовый переход, появилось знаменитое поле Хиггса, и физика Вселенной стала гораздо более сложной и разнообразной. Дальше произошел так называемый confinement — до этого летали кварки и глюоны сами по себе, а здесь они объединились в капельки, которые мы теперь называем протонами и нейтронами. Дальше образовались ядра дейтерия, гелия (первичный нуклеосинтез), далее началась эпоха рекомбинации, и это именно тот промежуток времени, который мы видим в телескоп. Время существования Вселенной, в которой возможна жизнь, то есть последние миллиарды лет, — это узенькая линия. Вот так она развивалась, и нигде, кроме нынешнего времени, во Вселенной не было возможности, чтобы образовались какие-то сложные структуры, — просто не хватало времени. Какую физику ни придумывай, все было безвидно, как говорится в Библии.
А что со Вселенной будет дальше? Сейчас во Вселенной опять идет инфляция — только другая инфляция, гораздо более медленная: пространство раздувается по экспоненте (точнее говоря, примерно по экспоненте — мы не знаем точно). И вся ее дальнейшая история зависит от того, что ее раздувает. Если это тяжелый вакуум, то Вселенная так и будет расширяться — в два раза за каждые десять миллиардов лет примерно. Что это значит для нас? Не для нас даже, а для жизни, которая продолжит нашу жизнь. Останутся в целости и сохранности Галактика и все скопления галактик. Но погаснут звезды типа Солнца. Еще 100 миллиардов лет будут светить красные карлики — и где-то возле них будет возможна жизнь, но потом вероятны всякие столкновения, после чего произойдет ренессанс, появятся новые выводки звезд, вокруг которых, в принципе, возможна жизнь. И люди той поры будут видеть хотя и порядком потускневшую Галактику, но все же массу звезд над головой и через сотни миллиардов лет.
Есть и более катастрофический сценарий. Если темная энергия, расширяющая Вселенную, окажется так называемой фантомной материей, у которой очень большое отрицательное давление, то Вселенную просто разорвет. Причем произойдет это очень быстро — за конечное время. Если темная энергия — физическое поле, которое заполняет все пространство, оно будет потихоньку уменьшаться, а Вселенная будет потихоньку расширяться. А потом — раз! — и это поле выгорит. И тогда во Вселенной образуется совсем новая физика с абсолютно новыми масштабами. Та Вселенная будет очень холодной, очень большой, и в ней будет все очень медленно двигаться и жить. Если там образуется — а почему нет? — какая-то новая жизнь, то она будет воспринимать этот фазовый переход как свой собственный Большой взрыв. А наши небесные тела будут ей казаться какими-то ужасными реликтами эпохи ранней Вселенной, от которых лучше держаться подальше.
Если темная энергия, расширяющая Вселенную, окажется так называемой фантомной материей, у которой очень большое отрицательное давление, то Вселенную просто разорвет.
Собственно, основная часть моего доклада подошла к концу. Остался лишь один вопрос: если Вселенная — это физический объект, то значит ли это, что она одна? Да нет, конечно. Сама постановка вопроса говорит, что замкнутых трехмерных шариков, из которых нельзя выпрыгнуть, может быть очень много. Есть одно наводящее соображение, говорящее в пользу этой теории: наша Вселенная удивительно хорошо подогнана под существование человека. Это так называемый антропный принцип — косвенное свидетельство того, что вселенных, скорее всего, много и они разные. Возвращаясь к теории инфляции: возникает вопрос — а откуда взялось множество вселенных? Оказывается, инфляция не может закончиться образованием одной Вселенной. Квантово-механический эффект. Поле не может сразу все уменьшиться и выгореть — где-то обязательно останутся кусочки. Зрительно это можно себе представить как бесконечно, безудержно пузырящуюся пену, где каждый пузырь — новая Вселенная. Вселенные могут быть связаны друг с другом так называемыми кротовыми норами, перемычками, которые могут испаряться, а могут и оставаться. Некоторые черные дыры могут быть кротовыми норами, ведущими в другую Вселенную, но в пределах нашего горизонта нет, скорее всего, ни одной. А почему вселенные разные? А вот здесь твердого ответа нет. Зато есть теория струн, на которую люди возлагают очень много надежд. Она сама по себе очень интересная, но вдаваться в нее я не буду, потому что в этом случае и вы переутомитесь, и я перегреюсь. Скажу одно: теория струн в принципе позволяет перестраивать вакуум. Вот я задавал вначале вопрос: Вселенная четырехмерная или одиннадцатимерная? И многие ответили, что одиннадцатимерная. Теория струн требует именно этого параметра от Вселенной. Все измерения скрутились в тоненькие трубочки, они могли это сделать огромным количеством способов, и каждый такой способ дает разную физику и разные Вселенные, в одну из которых мы с вами попали. В чем проблема теории струн? Она не может делать значимых предсказаний — невозможно указать, в каком из вакуумов мы сидим. Был огромный энтузиазм в 1980-х годах, что вот-вот мы определим массу электрона, массу кварка и все остальное. А оказалось, что все эти состояния зависят от вакуумов. И теория струн пока что зависла в состоянии, когда ее невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть. Останется ли она абстракцией или объяснит мир — этого никто не знает.
Я рассказывал о том, что мы знаем. Картина вообще полная и логически связная, но на ней все равно остаются дыры. Мы не знаем сущности, которая ввела инфляцию, не знаем, почему вакуум тяжелый. Кто-то скажет, что в таком случае я мог бы и не умничать тут так. Но поверьте: если я буду попроще рассказывать, получится попса, и у людей возникнет ложная иллюзия понимания. Допустим, показывает Discovery фильм: вот был во Вселенной звук, а теперь смотрите, какая красивая картинка, — люди посмотрели, и никто ничего не понял. Как я объясняю, тоже, наверное, не всем понятно, но кто-то в этом зале что-то все-таки понял. Я объясню, почему не могу рассказывать проще: вся красота, вся эта удивительность просто пролетели бы мимо.
В принципе, я закончил. Теперь небольшое отступление. Я написал книжку, где излагается все, что я только что наговорил. Но не только это. Есть в ней история про фантастических существ, которые якобы живут под толстым слоем льда примерно на спутнике Юпитера Европе и вообще ничего не видят дальше ста метров. В книжке рассказывается, как постепенно до них доходит, что над ними слой твердой материи, как они совершают кругосветное путешествие и думают, что заблудились, как изобретают гироскоп и определяют, что их мир вращается вокруг тяжелого гравитационного центра. В конце для оптимизма они у меня там высверливают дырку во льду и видят все собственными глазами. В действительности аналогия очень глубокая. Мы сейчас на стадии, когда уперлись взглядом в экран — а именно в область реликтового излучения — и дальше просветить пространство не умеем. Мы на стадии, на которой находились придуманные мной существа, двигаясь под многометровым наростом льда. Но пробурили же они лед. Будет ли у нас когда-нибудь такой прорыв? А почему нет. Только дырка, которую нам когда-нибудь предстоит пробурить, скорее всего, будет не вовне, а куда-то вглубь, во внутреннее пространство. То есть прозрение будет, скорее, теоретическое, чем практическое. И на этой оптимистической ноте я бы хотел откланяться.
Как появилась Вселенная, а в ней — экзопланеты В физической номинации Нобелевской премии победили астрономы
Нобелевская премия по физике в 2019 году стала самой космической и самой разноплановой из тех, что вручались за последние годы. Ее получили теоретик Джеймс Пиблс за «исследования в физической космологии» и астрономы Мишель Майор и Дидье Кело — «за открытие экзопланеты на орбите солнцеподобной звезды». Работы лауреатов относятся к очень разным областям того, что можно назвать «астрофизикой в самом широком смысле слова». Мы поговорили с ведущими российскими астрономами и космологами и попросили их объяснить, какую роль сыграли эти открытия в нашем понимании устройства Вселенной и чем занимался каждый из нынешних лауреатов.
Джеймс Пиблс — премия за теоретические исследования в физической космологии
Валерий Рубаков, космолог, академик РАН, заместитель директора Института ядерных исследований РАН
Если вернуться в то время, когда появились первые значимые работы нынешнего лауреата, космология была довольно сильно оторвана от наблюдательных данных. Просто потому, что этих данных тогда было очень мало — теория далеко обгоняла практику. Сейчас многие из сделанных в то время предсказаний теоретиков уже подтвердились, но тогда космология была прежде всего областью теоретиков.
Среди вопросов, которые особенно волновали космологов, был, например, вопрос образования структуры во Вселенной — как и почему в результате Большого взрыва могли возникнуть галактики и их скопления, как из маленьких флуктуаций в процессе расширения получились такие сложные структуры, которые мы наблюдаем сейчас .
Второй вопрос, который на самом деле тесно связан с первым, — это свойства реликтового излучения, открытого в 1965 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. Когда его удалось обнаружить, теоретики занимались расчетом того, какие у этого излучения должны быть свойства и что они говорят о происхождении Вселенной .
В частности, очень важно было понять, как распределена температура реликтового излучения на небе. Сейчас мы знаем, что она очень однородна, почти одинакова во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели — но все-таки почти, а не полностью. Эти неоднородности были открыты только в 1992 году, но теоретики предсказывали их существование гораздо раньше. Кстати, относительно недавно телескопом «Планк» была получена рекордно подробная карта этого излучения и предсказания теоретиков были подтверждены с очень высокой точностью.
В то время, то есть в период между серединой 1960-х и серединой 1970-х, в мире были две наиболее значимые группы, чьи работы во многом и определили, как сегодня устроена космология . Эти теоретики смогли понять, что именно нужно искать в наблюдениях и как правильно интерпретировать эти результаты. Это была команда Джеймса Пиблса и команда Якова Зельдовича, в которую в том числе входил Рашид Сюняев. Так как коммуникации в то время были по понятным причинам затруднены, эти две группы в значительной степени работали независимо, и поэтому получали довольно много параллельных результатов.
Например, была замечательная работа тройного авторства — Зельдовича, Сюняева и Владимира Курта. Очень важная работа для понимания того, как образовалось реликтовое излучение. Зельдович и Сюняев тогда оба были невыездные, но эта работа была упомянута на одной из конференций в США нашими учеными. Подробности расчетов там не были приведены, насколько я понимаю, они лишь упоминались, но Джеймс Пиблс смог их воспроизвести и разработать. В книге другого нобелевского лауреата, Стивена Вайнберга, даже есть глава «Вычисление Пиблса», где приведено то самое вычисление, которое в свое время проделали Зельдович, Курт и Сюняев. То, что премию сегодня получил именно Пиблс, а не, скажем, Сюняев — это решение комитета, я к нему отношусь спокойно. Нобелевскую премию редко дают по совокупности работ, но, мне кажется, это как раз такой случай .
Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга
Джеймс Пиблс внес вклад в очень разные разделы космологии. Он например, был одним из ключевых соавторов работы 1965 года, позволившей теоретически объяснить свойства открытого тогда реликтового излучения. Он сделал очень много для теоретического понимания свойств крупномасштабной структуры Вселенной — вопроса о том, почему галактики и их скопления распределены в космосе так, а не иначе. Другие его работы позволили прояснить, как первичные элементы могли появится во Вселенной после Большого взрыва.
Фактически, из четырех столпов современной космологии — реликтового излучения, крупномасштабной структуры, первичного нуклеосинтеза и динамики Вселенной — по крайней мере три области нельзя представить без его работ . Среди космологов-теоретиков он, безусловно, входит в когорту самых-самых лучших, но почему сегодня выбран именно он — это сложный вопрос. С такой общей формулировкой премию могли получить многие.
Вселенная существовала и до Большого взрыва. У нас есть подтверждение
В течение многих десятилетий ученые описывали начало нашей Вселенной, смешивая горячий Большой взрыв с сингулярностью. Мол, «Большой взрыв» был моментом рождения пространства и времени. Однако в начале 1980-х годов появилась новая теория, называемая космической инфляцией. Она предположила, что до горячего Большого взрыва Вселенная всё-таки существовала и вела себя совсем по-другому. В 2018 году у нас наконец появились очень веские доказательства того, что Большой взрыв не был моментом начала всего, как мы считали ранее.
Большой взрыв и точка сингулярности
Наши представления о Большом взрыве как о теоретическом «старте Вселенной» насчитывают почти 100 лет. В 1924 году Эдвард Хаббл измерил расстояние до ближайших спиральных туманностей и вдруг неожиданно для себя обнаружил, что это на самом деле галактики и они удаляются от нас и друг от друга. До этого почти все были уверены, что Вселенная сжимается — следуя теориям Эйнштейна и учитывая наличие сил гравитации.
В 1931 году Жорж Леметр предположил, что если учесть очевидное расширение Вселенной и спроецировать его назад во времени, то это означает, что чем дальше в прошлое, тем меньше была Вселенная. Тогда, возможно, был какой-то момент, когда вся масса Вселенной была сосредоточена в одной точке, в «первобытном атоме», где и возникла современная ткань времени и пространства.
В то время это была просто философская теория. Мол, если сегодня Вселенная расширяется и остывает, значит, раньше она была меньше, плотнее и горячее. Но в 1968 и 1970 годах группа ученых, включая Стивена Хокинга, опубликовала статьи, показывающие, что математическая сингулярность является неизбежным начальным условием для релятивистских моделей Большого взрыва. То есть, чтобы формулы работали, нужно принять, что вся материя и энергия Вселенной когда-то были сконцентрированы в одной точке.
Поскольку достаточно мощной технологии (телескопов и коллайдеров) для проверки всех теорий тогда у нас не было, эти математические модели стали лучшим объяснением принципов появления нашей Вселенной. Люди тогда даже не думали, что можно получить информацию напрямую из источника. В конце концов, большая часть наших знаний о черных дырах тоже извлечена напрямую из формул математики.
В результате несколько десятилетий эти два представления о Большом взрыве — как о горячем плотном состоянии, описывающем раннюю Вселенную, и о начальной точке сингулярности — были неразделимы. Это была одна вещь.
Но постепенно ученые приходят к тому, что Вселенная какое-то время существовала и до общеизвестного «горячего» Большого взрыва. Ему предшествовало другое, инфляционное состояние. То есть то, что было до Большого взрыва, тоже расширялось и даже, может быть, имело свою прото-энергию.
Всё это происходило больше 13,8 млрд лет назад, и казалось бы, такие нюансы должны быть потеряны для нас навсегда. Но на самом деле при нынешнем уровне технологий это можно проверить. Различия между Вселенной, начавшейся с горячего Большого взрыва, и Вселенной, в которой сначала шла инфляционная фаза, предшествовавшая Большому взрыву и создавшая его, почти неуловимы, но они существуют.
В чём вообще разница между двумя моделями? Ну, как минимум мы понимаем, что при «горячем» Большом взрыве, который мы экстраполировали бы вплоть до сингулярности, Вселенная достигла бы максимально возможных температур и энергий. Такой этап существования нашей Вселенной называют «Планковской эпохой», которая длилась бы 10−43 секунд. В таком случае размер Вселенной составлял бы меньше 10−35 м («Планковский радиус»), она имела бы температуру примерно 1032 К («Планковская температура») и плотность около 1093 г/см³ («Планковская плотность»). Более плотным и более горячим не может быть ничего — это была бы уже другая Вселенная, с другими законами физики.
То есть, если бы мы могли показать, что температуры или плотности были значительно меньше (или несоизмеримо больше) — эта теория была бы разрушена. В конце концов, она основывается на математических выкладках, а реальные физические доказательства всегда первостепенны.
К сожалению, из нашего времени мы никак не можем точно увидеть эти параметры. Только посчитать их. Поэтому прямых доказательств (или опровержений) теории «Большой взрыв = сингулярность» у нас здесь нет.
Но есть и другой путь. Даже если Вселенная имела когда-то такие «средние» плотность и температуру, в ней, как мы знаем, были несовершенства: как сверхплотные, так и недостаточно плотные области. По мере того как она расширялась и охлаждалась, эти сверхплотные области из-за гравитации притягивали к себе всё больше материи и энергии, увеличиваясь со временем, в то время как недостаточно плотные области, наоборот, отдавали свою материю и энергию в более плотные окружающие их структуры. Так создавались семена будущей космической паутины.
Только из-за наличия этих несовершенств образовались звезды и галактики, и только из-за них мы существуем сегодня. Их существованию есть сотни подтверждений, но в доказательствах они, по сути, и не нуждаются: в полностью «равномерной» Вселенной не родилось бы столько гигантских и разнообразных структур, и не существовали бы мы.
Детали, которые появляются в современной космической паутине, определились гораздо раньше. «Зёрна» современных крупномасштабных структур были заложены там, в самой ранней Вселенной. Сегодняшние звезды, туманности и скопления галактик можно проследить до первых маленьких несовершенств плотности, возникших тогда, когда первые атомы впервые сформировались во Вселенной. Эта связь вызвана гравитацией и тем фактом, что по Общей теории относительности концентрация материи и энергии определяет кривизну пространства.
Эти древние семена, хоть и плохо, но остаются видимы сегодня — в виде маленьких температурных несовершенств в космосе вокруг нас. Где-то космос чуть «теплее» (там больше материи), где-то чуть холоднее. Это так называемый космический микроволновой фон — остаточное сияние Большого взрыва, впервые обнаруженное в 1965 году. Температуры этого сияния находятся в пределе 2,72548 ± 0,00057 Kельвина, то есть это практически абсолютный ноль. Но оно всё-таки есть.
Фоновое излучение
Мы все живём на этом фоне. Просто он настолько слабый (ещё бы, 13,8 млрд лет прошло!), что заметить его могут только наши самые совершенные аппараты. А когда ученые впервые его засекли, то даже не поняли, что происходит: они думали, что у них барахлит оборудование. Но в общем да, если вас учили в школе, что в глубоком космосе — абсолютный ноль, то это неправда. Из-за всё еще остающегося после Большого взрыва излучения температура космоса составляет почти три Кельвина. Хотя она постепенно снижается, так что ещё через несколько миллиардов лет новым цивилизациям потребуются куда более мощные приборы, чтобы её обнаружить. А дальше — тайны начала Вселенной станут окончательно покрыты мраком.
Но пока что наши устройства, если их точно настроить, могут наблюдать этот реликтовый фон, потому что свет должен пройти из дальних областей пространства, в которых он возникает, к «глазам» наблюдателя. А это означает, что:
сверхплотные области с большим количеством материи и энергии, чем в среднем, будут казаться более холодными, поскольку свет должен «выбраться» из более крупного гравитационного потенциала;
области с пониженной плотностью, с меньшим количеством материи и энергии, будут казаться более горячими, чем в среднем, поскольку свету будет проще дойти до нас;
области средней плотности и гравитационного потенциала будут иметь среднюю температуру космического микроволнового фона.
Эти температурные несовершенства, которые мы наблюдаем в остаточном сиянии Большого взрыва, пришли к нам из эпохи, которая наступила через 380 000 лет после «запуска» Вселенной — когда первичная плазма охладела настолько, что электроны и протоны смогли начать образовывать атомы водорода. Это событие впервые сделало Вселенную почти прозрачной для излучения — потому что свет больше не рассеивался, сталкиваясь с морем свободных электронов.
К сожалению, более ранние этапы существования нашей Вселенной мы наблюдать не можем: там просто нечего было наблюдать. Но даже отпечаток Вселенной через 380 000 лет после её основания представляет собой достаточно большой набор данных, который можно анализировать.
Откуда вообще возникли эти несовершенства? Почему Вселенная не единообразна во всех направлениях? История тут совершенно разная, в зависимости от того, какого варианта «начала всего» вы придерживаетесь:
Согласно «сингулярной» теории Большого взрыва, Вселенная просто «родилась» с исходным набором несовершенств. Потом эти несовершенства росли и развивались по законам гравитационного коллапса и взаимодействия частиц, в том числе взаимодействия между нормальной и темной материей.
Если принять инфляционную теорию происхождения Вселенной, где горячий Большой взрыв возник только после какого-то периода космического расширения, тогда эти несовершенства посеяны квантовыми флуктуациями. То есть флуктуациями, возникающими даже в пустом пространстве из-за принципа неопределенности энергии и времени, присущего квантовой механике. То есть наша Вселенная не была случайно рождена «неравномерной»: если пространство и время появились до Взрыва, то ни в каком другом виде она и не могла существовать.
Второй вариант объяснения дает нам важную зацепку. Если эта теория верна, то получается, квантовые флуктуации, существовавшие до Большого взрыва, каким-то образом отображены в нём. За прошедшие миллиарды лет эти маленькие отблески растянулись до гигантских масштабов за счет расширения Вселенной. А более поздние флуктуации растянулись уже поверх них.
Отсюда идёт важный вывод. Если что-то существовало до взрыва, оно должно быть самым большим, самым «растянутым». В теории, даже больше горизонта самой нашей Вселенной — которая расширяется как результат того самого взрыва. Мы должны быть способны заметить результаты в масштабах, превышающих космический горизонт: так называемые флуктуации сверхгоризонта. Если они существуют — значит, сам Большой взрыв не мог быть началом всего.
Ещё раз. В «сингулярной» картине Большого взрыва, где всё было сжато в одну точку и он был началом всего, результаты флуктуаций, которые мы ожидаем увидеть, будут ограничены скоростью света (+ расстоянием, на которое за это время успел расшириться космос). Если же до взрыва что-то существовало, то «мазки на картине», теоретически могут быть больше. Намного больше (если это «что-то» существовало ощутимое время и было достаточно крупным). Или всего на несколько процентов больше (если время и пространство до Большого взрыва было невелико).
Это, конечно, было бы очень сложно заметить. Флуктуации, которые могли произойти за несколько сотен долей секунды до взрыва, уже растянуты до масштаба большего, чем наблюдаемая в настоящее время Вселенная. А более поздние флуктуации накладываются на более ранние, засоряя сигнал. Но мы хотя бы понимаем методику: если что-то существовало до Большого Взрыва, мы можем начать поиск сверхмасштабных флуктуаций, которых не должно было бы быть, если бы Вселенная началась с сингулярности.
В общем, большой тест, который можно провести, состоит в том, чтобы исследовать Вселенную и искать либо наличие, либо отсутствие этих флуктуаций сверхгоризонта. Существует предел тому, как далеко мог пройти сигнал, который двигался со скоростью света. И нам нужно понять, когда он был испущен.
Масштабы меньше горизонта Вселенной зависят от физики, которая возникла с момента начала горячего Большого взрыва.
Масштабы, равные горизонту, являются верхним пределом того, на что могли повлиять физические сигналы с момента начала горячего Большого взрыва.
Масштабы, превышающие горизонт, известные как масштабы сверхгоризонта, выходят за пределы того, что могло быть вызвано физическими сигналами, генерируемыми во время или после Большого взрыва.
Изнутри нашей Вселенной заметить эти широкие «мазки» на нашем уровне технологий — достаточно сложно. Но, к счастью, наблюдение за температурой космического микроволнового фона — это не единственный способ получить информацию. Мы также можем посмотреть на поляризацию света от этого фона.
Поляризация света
Дальше будет очень научно, но вкратце смысл такой: мы смотрим на то же реликтовое излучение (другой информации нет), но не на его температуру, а на его поляризацию — насколько электромагнитные волны, дошедшие к нам с тех времен, структурированы в том или ином плане. Это позволяет говорить о структурах, существовавших там, где эти волны прошли.
Когда свет проходит через Вселенную, он взаимодействует с материей внутри нее — в частности, с электронами. Если свет поляризуется радиально-симметричным образом, это пример поляризации вектора Е (электрического). Если свет поляризован по часовой стрелке или против часовой стрелки, то это пример поляризации вектора B (магнитного).
И здесь можно провести корреляционный анализ: между поляризацией света, который мы ловим, и температурными флуктуациями космического микроволнового фона. Сопоставить их в тех же угловых масштабах. Это позволит нам отсечь лишний шум и заметить остаточные последствия самых больших флуктуаций. И понять, какой сценарий мы наблюдаем: «сингулярный Большой взрыв без инфляции» или «инфляционное состояние, которое и привело к горячему Большому взрыву».
Как их отличить, эти два сценария основания Вселенной, глядя на поляризацию, если супер-технически:
В обоих случаях мы ожидаем увидеть субгоризонтные корреляции (как положительные, так и отрицательные) между поляризацией вектора Е в космическом микроволновом фоне и температурными флуктуациями в его пределах. Это вполне очевидно: если на пути света есть материя, в которой находятся электроны, то там будет и поляризация, и нехарактерная для остального фона температура.
В обоих случаях мы ожидаем, что в масштабе космического горизонта (на данный момент соответствующего угловым масштабам около 1 градуса и мультипольному моменту около l = 200-220) эти корреляции будут равны нулю.
Однако в масштабах сверхгоризонта сценарий «сингулярного Большого взрыва» будет иметь только один большой положительный «всплеск» корреляции между поляризацией Е-моды и температурными флуктуациями космического микроволнового фона — это тот момент, когда звезды начали формироваться в больших количествах и стали реионизировать межгалактическую среду. С другой стороны, сценарий «инфляционного Большого взрыва» обязан содержать этот всплеск, но также должен показать ряд отрицательных корреляций между поляризацией Е-моды и температурными флуктуациями в масштабах сверхгоризонта (в угловых масштабах между 1 и 5 градусами, мультипольные моменты от l = 30 до l = 200). Это продемонстрировало бы, что что-то существовало до взрыва и оставило следы, не зависящие от него. Характерные «мазки» в масштабах, даже превышающих размеры реликтового излучения.
По этому самому первому графику, опубликованному командой телескопа WMAP в 2003 году (ровно 20 лет назад!), видно то, что космологи называют «спектром взаимной корреляции TE»: корреляции между поляризацией E-моды и флуктуациями температуры космического микроволнового фона.
Как мы можем видеть, в субгоризонтных масштабах (справа от зеленой линии) присутствуют как положительные, так и отрицательные корреляции. Но в сверхгоризонтных масштабах (слева от линии) отчетливо виден большой «провал» — значительная зона отрицательной корреляции. Это согласуется с прогнозом теории инфляции (сплошная линия). И категорически не согласуется с теорией сингулярности Большого взрыва (пунктирная линия).
Конечно, это было 20 лет назад, и с тех пор наши технологии продвинулись вперед. Спутник WMAP был заменен спутником Планка, который превосходил его почти по всем параметрам. Он видел Вселенную в большем количестве диапазонов длин волн, мог опускаться до меньших угловых масштабов, лучше считывал нюансы температуры, включал в себя специальный поляриметрический прибор и чаще брал снимки неба, что еще больше уменьшало вероятность ошибок.
И когда мы смотрим на окончательные (2018 года) данные кросс-корреляции TE от команды Планка, результаты захватывают дух. Всё предельно очевидно:
Выводы
Как мы можем ясно видеть по данным спутников, не остается никаких сомнений в том, что во Вселенной точно существуют сверхгоризонтные флуктуации. А это значит, что неинфляционная сингулярная модель Большого взрыва, которая считалась общепринятой почти 100 лет, не согласуется со Вселенной, которую мы наблюдаем. Вместо этого мы видим, что горячему Большому взрыву должно было предшествовать инфляционное состояние. Которое, правда, длилось не очень долго — судя по размеру флуктуаций и степени их влияния на современный космос.
Наша Вселенная существовала и до Большого взрыва, вероятно — краткую долю секунды. В ней, скорее всего, еще не было атомов, но уже происходили квантовые процессы, вызвавшие неравномерности распределения энергии. А уже после этого случился Взрыв.
Есть и другие тесты на наличие «довзрывной» инфляции, которые можно было бы провести. Оценить масштабно-инвариантный спектр чисто адиабатических флуктуаций, проверить ограничение максимальной температуры горячего Большого взрыва, найти небольшое отклонение от идеальной плоскостности в космологической кривизне, проверить спектр «первобытных» гравитационных волн, постоянно доносящихся к нам с того времени. И так далее. Тем не менее тест на наличие флуктуаций сверхгоризонта достаточно прост и надежен. И уже проведен. Если остальные эксперименты когда-нибудь осуществят — то только для того, чтобы подтвердить уже известное: пространство и время существовали и до Большого взрыва.
Как всё это выглядело, в каком формате оно существовало, как долго? Не ясно. Но по крайней мере это точно была уже наша Вселенная: в ней работали известные нам законы квантовой физики, и их последствия видны на звездном небе, если хорошо присмотреться.
А дальше — пространство для новых открытий и новых теорий. Потому что теперь мы знаем, что Большой Взрыв, оказывается, не был началом всего.