Есть ли происхождение самого времени, и если да, то как оно выглядело?
«В начале была создана Вселенная. Это очень разозлило многих людей и было расценено как плохой поступок». - Дуглас Адамс
Только человек может задать самый фундаментальный из всех вопросов: откуда все это взялось? И нам нравится думать, что мы знаем ответ; все это пришло с самого начала.
Но если немного подумать, этот упрощенный ответ - ответ, который на первый взгляд может показаться тавтологией - предполагает что-то очень важное в нашей Вселенной: что у нее было начало!
Долгое время с научной точки зрения казалось, что мы не знаем, правда это или нет. Вселенная могла иметь начало, до которого ничего не существовало (или, по крайней мере, ничего, как мы это понимаем), или могло существовать вечно, как бесконечная линия, простирающаяся в обоих направлениях, или она могла бы быть цикличной, как окружность круга, повторяясь снова и снова бесконечно.
Некоторое время все конкурирующие идеи согласовывались с наблюдениями. Самыми известными среди них были модели Большого взрыва (в пользу конечного прошлого) и стационарного состояния (в пользу бесконечного прошлого), но не было надежного способа подтвердить или опровергнуть их какое-то время.
Но все изменилось в 1960-х годах, когда было обнаружено слабое микроволновое излучение, исходящее со всех сторон неба.
Это излучение было везде одинаковой величины, одинаково во всех направлениях и всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Когда стали поступать более точные данные, мы узнали, что он соответствует спектру абсолютно черного тела и не только согласуется с тем, что он является остаточным свечением Большого взрыва, но и несовместим со всеми другими альтернативными объяснениями. Казалось, что все-таки начало было.
И вот почему.
Согласно Большому Взрыву, Вселенная была горячее, плотнее, однороднее и меньше в прошлом, и выглядит так, как сегодня, только потому, что она расширялась, охлаждалась и испытывала гравитацию (и гравитационные коллапс на весах малых и больших) так долго.
Когда-то на ранних стадиях было так жарко, что даже нейтральные атомы не могли образоваться, не разорвавшись на части. Еще раньше, поскольку длина волны излучения увеличивается по мере расширения Вселенной, сегодняшнее микроволновое излучение было настолько коротковолновым, что фотоны были более энергичными, чем даже материя в молодой Вселенной.
А еще раньше он был слишком энергичным, чтобы образовывать атомные ядра или даже связывать протоны и нейтроны.
И если мы продолжим экстраполировать весь путь назад, мы придем к началу, где не только все пространство сжалось вплоть до точки, но где мы столкнулись с сингулярностью. На первый взгляд кажется, что даже не важно, что господствует во Вселенной; сингулярность кажется неизбежной!
Сингулярности невероятно интересны, потому что они являются местом, где главный закон гравитации во Вселенной - Общая теория относительности Эйнштейна - нарушается и становится математической чепухой. Помните, что теория относительности - это теория, описывающая пространство и время. Но в сингулярностях перестают существовать не только пространственные измерения, но и время Другими словами, задавать вопросы вроде «что было до этого» столь же бессмысленно, как и спрашивая «где мы», если убрать пространство, или «что севернее северного полюса?»
Действительно, это аргумент, который приводит Пол Дэвис - австралийский Карл Саган - , когда утверждает, что «до» Большого взрыва не было, потому что Большой взрыв - это то место, где началось время. Но каким бы интересным ни был этот аргумент, мы знаем, что Большой взрыв больше не начинается там, где началось время. Потому что с тех пор, как мы провели современные детальные измерения флуктуаций космического микроволнового фона - в остаточном свечении Большого Взрыва - мы узнали, что эта экстраполяция на сингулярность неверна
Видите ли, эти закономерности флуктуаций могут многое рассказать нам о свойствах Вселенной, когда она была очень молода: сколько материи присутствовало в протонах, нейтронах и электронах, какова ее пространственная кривизна то есть, сколько существует темной материи/темной энергии, сколько существует видов горячих нейтрино и т. д. Но они могут такжесказать нам, была ли максимальная температура, которой достигла Вселенная в своем раннем горячем, плотном, расширяющемся состоянии.
Согласно данным, полученным со времен WMAP (и Планк это подтвердил), Вселенная «всего лишь» когда-либо достигала максимальной температуры около 10^29 КельвинаВы можете подумать, что это число огромно, и я соглашусь, что оно довольно велико. Но это все еще примерно в 1000 раз слишком мало, чтобы привести Вселенную в состояние, которое могло бы стать сингулярностью.
На самом деле, подробности этого говорят нам, что не только время не началось с Большого Взрыва, но что мы знаем, что произошло до Большого Взрыва: был период космической инфляции, когда огромное количество энергии, присущей самому пространству, доминировало над Вселенной, и она экспоненциально быстро расширялась с фантастически большой скоростью!
Но есть еще кое-что, что инфляция - наша лучшая научная теория относительно того, что предшествовало Большому Взрыву (теперь, возможно, с дополнительными доказательствами) - рассказывает нам о том, откуда все это взялось, что, пожалуй, очень удивительно. Давайте увеличим этот график, который я построил ранее, показывающий, как растет Вселенная, когда в ней преобладают различные типы энергии.
Это говорит нам не о сингулярности в точке «t=0» или о том, где произошел Большой Взрыв, а о том, что Вселенная существовала в инфляционном состоянии или состоянии, в котором она экспоненциально расширялась., в течение неопределенно долгое время.
С этим знанием возникает множество новых вопросов:
Во-первых, было ли инфляционное состояние постоянным? Например, расширялась ли Вселенная с одинаковой скоростью везде и в течение длительных периодов времени? Или он раздувался очень быстро и менялся от места к месту?
Второй, всегда ли инфляционное состояние длилось в обратном направлении? Инфляция потенциально может быть вечной, и на самом деле у нас есть веские основания полагать, что - в большинстве частей Вселенной - она вечна до будущего. Но как быть с прошлым? Была ли она всегда инфляционной в той или иной форме, или ей предшествовало неинфляционное состояние, которое привело к инфляции?
В-третьих, сегодня мы можем рассматривать темную энергию как форму экспоненциального расширения. Связаны ли эти две инфляционные стадии, и приведет ли наше расширение темной энергии когда-нибудь снова к действительно инфляционной стадии, омолаживающей ее в каком-то цикле?
С точки зрения наблюдений, мы не знаем ответа ни на один из этих вопросов. Вселенная, которую мы можем наблюдать, содержит только информацию, оставшуюся от последних ~ 10 ^ -34 секунд (плюс-минус несколько порядков) инфляции; все, что произошло до этого, уничтожается инфляциейИ теоретически у нас не намного лучше. Существует теорема, которая говорит нам, что инфляционная Вселенная неполна в прошлом: что вечно расширяющаяся Вселенная должна была начаться из сингулярности.
Но означает ли это, что раздувающаяся Вселенная не могла существовать вечно, или это означает, что наши нынешние правила физики неприменимы для выяснения того, существовала ли она вечно, имела ли начало или циклична, неизвестно. Возможно даже, что время циклично, и циклы меняются с каждой итерацией!
Но даже несмотря на то, что мы можем проследить нашу космическую историю вплоть до момента Горячего Большого Взрыва, а еще раньше (немного) до эпохи космической инфляции, именно там наши знания заканчивается.
Итак, тысячи лет спустя мы вернулись к тому, с чего начали.
Было ли у времени начало? У нас не только нет ответа, у нас нет перспективы наблюдений, которые могли бы нам сказать, и наши текущие теории говорят нам только о том, где наша предсказательная сила терпит неудачу, а не о том, каков ответ. Таким образом, у нас есть те же три возможности, над которыми философы и теологи размышляли с тех пор, как была записана история: время конечно, время бесконечно или время циклично. Единственное, что мы знаем, это то, что если в прошлом и существовала сингулярность, то она не имеланикакого отношения к нашему горячему Большому взрыву, в котором каждая частица материи -и-энергия в нашей наблюдаемой Вселенной прослеживается до.
И если мы не найдем новый способ получения информации о том, что произошло до того, как наблюдаемая нами Вселенная существовала в каком-либо осмысленном смысле, ответ может навсегда остаться за пределами досягаемости того, что известно.