Несмотря на утверждения одного из новейших лауреатов Нобелевской премии Земли, данные не лгут.
Одним из величайших научных успехов прошлого века была теория горячего Большого взрыва: идея о том, что Вселенная, какой мы ее наблюдаем и существуем в ней сегодня, возникла из более горячего, более плотного, более однородное прошлое. Первоначально предложенная как серьезная альтернатива некоторым из наиболее популярных объяснений расширяющейся Вселенной, она была шокирующе подтверждена в середине 1960-х открытием «первобытного огненного шара», оставшегося от того раннего, горячего и плотного состояния: сегодня известный как Космический Микроволновый Фон.
Более 50 лет Большой Взрыв господствовал как теория, описывающая наше космическое происхождение, с ранним инфляционным периодом, предшествовавшим ему и создавшим его. И космическая инфляция, и Большой взрыв постоянно оспаривались астрономами и астрофизиками, но альтернативы отпадали каждый раз, когда появлялись новые критические наблюдения. Успехи Большого Взрыва. Вопреки недавним заголовкам и утверждениям Пенроуза, нет никаких доказательств существования «Вселенной до Большого взрыва».
Большой Взрыв обычно представляют как начало всего: пространства, времени, происхождения материи и энергии. С определенной архаичной точки зрения в этом есть смысл. Если Вселенная, которую мы видим, расширяется и становится менее плотной сегодня, то это означает, что в прошлом она была меньше и плотнее. Если излучение - такие вещи, как фотоны - , присутствует в этой Вселенной, то длина волны этого излучения будет увеличиваться по мере расширения Вселенной, а это означает, что она остывает с течением времени и была более горячей в прошлом.
В какой-то момент, если вы экстраполируете достаточно далеко назад, вы достигнете таких плотностей, температур и энергий, что создадите условия для сингулярности. Если ваши шкалы расстояний слишком малы, ваши шкалы времени слишком коротки или ваши шкалы энергии слишком высоки, законы физики теряют смысл. Если мы повернем часы назад примерно на 13,8 миллиарда лет назад, к мифической отметке «0», эти законы физики нарушатся за время ~10^-43 секунды: планковское время.
Если бы это было точным описанием Вселенной - то, что вначале она была горячей и плотной, а затем расширялась и охлаждалась - мы ожидали бы большое количество переходов в нашей прошлой истории.
- Все возможные частицы и античастицы будут создаваться в большом количестве, а избыток аннигилирует радиацией, когда становится слишком холодно, чтобы постоянно создавать их.
- Электрослабая симметрия и симметрия Хиггса нарушаются, когда Вселенная остывает ниже энергии, при которой эти симметрии восстанавливаются, создавая четыре фундаментальные силы и частицы с ненулевыми массами покоя.
- Кварки и глюоны конденсируются, образуя составные частицы, такие как протоны и нейтроны.
- Нейтрино перестают эффективно взаимодействовать с выжившими частицами.
- Протоны и нейтроны сливаются, образуя легкие ядра: дейтерий, гелий-3, гелий-4 и литий-7.
- Гравитация работает на увеличение сверхплотных областей, в то время как радиационное давление работает на их расширение, когда они становятся слишком плотными, создавая набор колебательных, зависящих от масштаба отпечатков.
- И примерно через 380 000 лет после Большого взрыва становится достаточно прохладно, чтобы образовывались нейтральные, стабильные атомы без их мгновенного взрыва.
Когда происходит эта последняя стадия, фотоны, пронизывающие Вселенную, которые ранее рассеивались на свободных электронах, просто движутся по прямой линии, удлиняясь по длине волны и уменьшаясь в количестве по мере расширения Вселенной.
Приблизительно 55 лет назад этот фон космического излучения был впервые обнаружен, что превратило Большой взрыв из одного из нескольких жизнеспособных вариантов происхождения нашей Вселенной в единственный, согласующийся с данными. В то время как большинство астрономов и астрофизиков сразу же признали Большой взрыв, самые решительные сторонники ведущей альтернативной теории стационарного состояния - такие, как Фред Хойл, - выдвигали все более и более абсурдные доводы, чтобы защитить свою дискредитированную идею перед лицом ошеломляющих данных.
Но каждая идея с треском провалилась. Это не мог быть усталый звездный свет. Ни отраженного света, ни нагретой и излучающей пыли. Каждое испробованное объяснение было опровергнуто данными: спектр этого космического послесвечения был слишком совершенным черным телом, слишком одинаковым во всех направлениях и слишком некоррелированным с материей во Вселенной, чтобы соответствовать этим альтернативным объяснениям. В то время как наука продвигалась к Большому Взрыву, становящемуся частью консенсуса, то есть разумной отправной точкой для науки будущего, Хойл и его идеологические союзники работали над тем, чтобы сдержать прогресс науки, выступая за несостоятельные с научной точки зрения альтернативы.
В конце концов, наука двигалась вперед, в то время как противники становились все более и более неуместными, их тривиально неправильная работа уходила в тень, а их исследовательская программа в конечном итоге прекращалась после их смерти.
Тем временем, с 1960-х по 2000-е годы, такие науки, как астрономия и астрофизика - и особенно подобласть космологии, которая фокусируется на истории, росте, эволюции и судьбе Вселенная - поразительно выросла.
- Мы составили карту крупномасштабной структуры Вселенной, открыв великую космическую паутину.
- Мы узнали, как галактики росли и развивались, и как их звездное население внутри менялось со временем.
- Мы узнали, что всех известных форм материи и энергии во Вселенной недостаточно, чтобы объяснить все, что мы наблюдаем: требуется какая-то форма темной материи и какая-то форма темной энергии.
И мы смогли дополнительно проверить дополнительные предсказания Большого Взрыва, такие как предсказанное содержание легких элементов, наличие популяции первичных нейтрино и открытие дефектов плотности именно необходимый тип, чтобы вырасти в крупномасштабную структуру Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.
В то же время были наблюдения, которые, без сомнения, были верными, но Большой взрыв не имел никакой предсказательной силы для объяснения. Этих сколь угодно высоких температур и высоких энергий Вселенная якобы достигала в самые ранние времена, и тем не менее никаких экзотических реликвий, которые мы можем видеть сегодня, нет: ни магнитных монополей, ни частиц от великого объединения, ни топологических дефектов и т. д. Теоретически что-то другое Чтобы объяснить Вселенную, которую мы видим, должно существовать нечто большее, чем известно, но если они когда-либо и существовали, то были скрыты от нас.
Вселенная, чтобы существовать со свойствами, которые мы видим, должна была родиться с очень определенной скоростью расширения: такой, которая точно уравновешивала общую плотность энергии, более чем с 50 значащими цифрами. У Большого Взрыва нет объяснения, почему это должно быть так.
И единственный способ, которым разные области пространства будут иметь одинаковую точную температуру, - это если они находятся в тепловом равновесии: если у них есть время взаимодействовать и обмениваться энергией. Однако Вселенная слишком велика и расширилась таким образом, что у нас есть много причинно несвязанных областей. Даже при скорости света эти взаимодействия не могли произойти.
Это представляет собой огромную проблему для космологии и для науки в целом. В науке, когда мы видим какие-то явления, которые не могут объяснить наши теории, у нас есть два варианта.
- Мы можем попытаться разработать теоретический механизм для объяснения этих явлений, одновременно сохраняя все успехи предшествующей теории и делая новые предсказания, отличные от предсказаний предшествующей теории.
- Или мы можем просто предположить, что этому нет объяснения, и Вселенная просто родилась со свойствами, необходимыми для того, чтобы дать нам Вселенную, которую мы наблюдаем.
Только первый подход имеет научную ценность, и поэтому его нужно попробовать, даже если он не даст результатов. Наиболее успешным теоретическим механизмом расширения Большого взрыва была космическая инфляция, которая устанавливает фазу перед Большим взрывом, когда Вселенная расширялась экспоненциально: растягивая ее до плоского состояния, придавая ей одинаковые свойства повсюду, согласовывая скорость расширения с плотности энергии, устраняя любые предшествующие высокоэнергетические реликвии и делая новое предсказание квантовых флуктуаций - ведущих к определенному типу флуктуаций плотности и температуры - наложенных на однородную в остальном Вселенную.
Хотя у инфляции, как и у предшествующего Большого взрыва, было много недоброжелателей, она преуспевает там, где все альтернативы терпят неудачу. Это решает проблему «изящного выхода», когда экспоненциально расширяющаяся Вселенная может перейти во Вселенную, заполненную материей и излучением, которая расширяется так, как это соответствует нашим наблюдениям, то есть может воспроизвести все успехи горячего Большого взрыва. Он налагает отключение энергии, уничтожая любые сверхвысокоэнергетические реликвии. Он создает однородную Вселенную в чрезвычайно высокой степени, где скорость расширения и полная плотность энергии идеально совпадают.
И это делает новые предсказания о типах структуры и начальных колебаниях температуры и плотности, которые должны появиться, предсказания, которые впоследствии подтвердились наблюдениями. Прогнозы инфляции были в значительной степени выдвинуты в 1980-х годах, в то время как данные наблюдений, подтверждающие ее, поступали струйкой за последние ~ 30 лет. Хотя существует множество альтернатив, ни одна из них не является столь же успешной, как инфляция.
К сожалению, лауреат Нобелевской премии Роджер Пенроуз, хотя его работы по общей теории относительности, черным дырам и сингулярностям в 1960-х и 1970-х годах были абсолютно достойными Нобелевской премии, в последние годы потратили большую часть своих усилий на крестовый поход, чтобы свергнуть инфляцию: продвигая значительно худшую с научной точки зрения альтернативу, его любимую идею конформной циклической космологии, или CCC.
Самая большая прогностическая разница заключается в том, что CCC в значительной степени требует, чтобы отпечаток «Вселенной до Большого Взрыва» проявлялся как в крупномасштабной структуре Вселенной, так и в космическом микроволновом фоне: Большой Остаточное свечение Бэнга. Наоборот, инфляция требует, чтобы везде, где заканчивается инфляция и возникает горячий Большой взрыв, оно было причинно отсоединено от какой-либо предшествующей, текущей или будущей такой области и не могло с ней взаимодействовать. Наша Вселенная существует со свойствами, которые не зависят ни от каких других.
Наблюдения - сначала из COBE и WMAP, а совсем недавно из Planck - определенно налагают чрезвычайно жесткие ограничения (до пределов существующих данных) на любые такие структуры. На нашей Вселенной нет синяков; отсутствие повторяющихся узоров; отсутствие концентрических кругов нерегулярных колебаний; нет очков Хокинга. При надлежащем анализе данных становится абсолютно ясно, что инфляция согласуется с данными, а CCC - нет.
Хотя, как и Хойл, Пенроуз не одинок в своих утверждениях, данные в подавляющем большинстве случаев противоречат тому, что он утверждает. Предсказания, которые он сделал, опровергаются данными, и его заявления о том, что он видит эти эффекты, воспроизводимы только в том случае, если анализировать данные необоснованным с научной точки зрения и незаконным образом. Сотни ученых указывали на это Пенроузу - неоднократно и последовательно в течение более чем 10 лет - который продолжает игнорировать эту область и продвигать свои утверждения.
Как и многие до него, он, кажется, настолько влюбился в свои собственные идеи, что больше не смотрит на реальность, чтобы ответственно проверять их. Тем не менее, эти тесты существуют, важнейшие данные общедоступны, и Пенроуз не просто ошибается, тривиально легко продемонстрировать, что свойства, которые, как он утверждает, должны присутствовать во Вселенной, не существуют. Хойлу, возможно, было отказано в Нобелевской премии, несмотря на его достойный вклад в звездный нуклеосинтез, из-за его ненаучной позиции в более позднем возрасте; хотя у Пенроуза теперь есть Нобелевская премия, он уступил той же досадной ловушке.
Хотя мы должны восхвалять творчество Пенроуза и отмечать его новаторскую, достойную Нобелевской премии работу, мы должны остерегаться побуждения обожествлять любого великого ученого или его работу, которая не поддерживается по данным. В конце концов, независимо от знаменитости или славы, сама Вселенная должна определить для нас, что реально, а что всего лишь необоснованная гипотеза, и мы должны следовать ее примеру, независимо от того, куда она нас приведет.
Starts With A Bang написан Итаном Сигелом, доктором философии, автором книг Beyond The Galaxy и Treknology: The Science of Star Trek от Tricorders до Warp Drive.