Если во время Большого взрыва все было горячим, плотным и очень близко расположенным друг к другу, что удерживало нас от коллапса в сингулярность?
Большой взрыв - одна из самых противоречивых идей. Если подумать о том, чтобы взять всю материю и энергию во Вселенной и запустить их в крошечной области пространства, не кажется ли маловероятным, что она будет расширяться с той скоростью, которая необходима для того, чтобы дать нам Вселенную, которую мы видим сегодня? Не было бы гораздо более вероятным, что он просто коллапсирует под действием гравитации в самый плотный тип объекта, который может содержать Вселенная: в черную дыру? Ясно, что этого не произошло. Но понимание того, почему этого не произошло, может быть просто одним из самых глубоких вопросов, которые вы можете задать, чтобы помочь понять Вселенную, в которой мы живем.
Если бы вы знали из первых принципов, каковы законы физики везде и всегда в нашей Вселенной, этого все равно было бы недостаточно для того, чтобы вы пришли к предсказанию, что Вселенная как мы видим, что он должен существовать. Потому что, хотя законы физики и устанавливают правила эволюции системы во времени, для начала работы ей по-прежнему нужен набор начальных условий. Каким-то образом то, как ткань Вселенной расширялась в самые ранние моменты, как мы можем себе представить, уравновешивало эту тенденцию материи и энергии притягиваться и коллапсировать. Чтобы увидеть, как все это работает, давайте вернемся к рождению нашей самой успешной теории гравитации - общей относительности - около 100 лет назад.
До Эйнштейна общепринятой теорией гравитации был закон всемирного тяготения Ньютона. Все гравитационные явления во Вселенной, от ускорения масс на Земле до обращения лун вокруг планет и до самих планет, вращающихся вокруг Солнца, - все это описала его теория. Объекты оказывали друг на друга равные и противоположные гравитационные силы, они ускорялись обратно пропорционально их массе, и сила подчинялась закону обратных квадратов. К тому времени, когда наступили 1900-е, он был невероятно хорошо протестирован, и исключений не было. Что ж, с тысячами и тысячами успехов на его счету, во всяком случае, почти не было исключений.
Но для проницательных и тех, кто уделял большое внимание деталям, была пара проблем:
- При очень высоких скоростях - то есть на скоростях, приближающихся к скорости света - идеи Ньютона об абсолютном пространстве и абсолютном времени больше не держались. Радиоактивные частицы жили дольше, расстояния сокращались, и «масса» оказалась не фундаментальным источником гравитации: эта честь, похоже, досталась энергии, из которой масса является лишь одной из форм..
- В сильнейших гравитационных полях - по крайней мере, если именно поэтому планета Меркурий считается особой среди планет нашей Солнечной системы на орбите вокруг Солнца - , ньютоновское предсказание гравитационного поведения объектов слегка но заметно отличается от того, что мы наблюдаем. Как будто, когда вы подходите очень близко к очень массивному источнику, возникает сверхпривлекательная сила, которую не учитывает ньютоновская гравитация.
После этого произошли два события, которые проложили путь к новой теории, которая заменит блестящую, но многовековую концепцию Ньютона о том, как устроена Вселенная.
Первое крупное достижение заключалось в том, что пространство и время, которые ранее рассматривались как отдельное трехмерное пространство и линейная величина времени, были объединены в математическую структуру, которая создала четырехмерное «пространство-время». Это было сделано в 1907 году Германом Минковским:
Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить перед вами, возникли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. […] Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены растворяться в простых тенях, и только некий союз того и другого сохранит независимую реальность.
Это работало только для плоского евклидова пространства, но идея была невероятно мощной с математической точки зрения, так как она неизбежно приводила ко всем законам специальной теории относительности. Когда эта идея пространства-времени была применена к проблеме орбиты Меркурия, ньютоновское предсказание в рамках этой новой схемы немного приблизилось к наблюдаемому значению, но все же не оправдалось.
Но вторая разработка исходила от самого Эйнштейна, и это была идея о том, что пространство-время вовсе не плоское, а искривлено. И именно тем, что определяло искривление пространства-времени, было присутствие энергии во всех ее формах, включая массу. Опубликованная в 1915 году схема Эйнштейна была невероятно сложной для расчетов, но предоставила ученым всего мира огромный потенциал для моделирования физических систем с новым уровнем точности и аккуратности.
Пространство-время Минковского соответствовало пустой Вселенной или Вселенной без энергии или материи любого типа.
Эйнштейн смог найти решение, согласно которому у вас есть Вселенная с одним-единственным точечным источником массы в ней и с условием, что вы находитесь за пределами этой точки. Это сводилось к ньютоновскому предсказанию на больших расстояниях, но давало более сильные результаты на более близких расстояниях. Эти результаты не только согласуются с наблюдениями за орбитой Меркурия, которые ньютоновская гравитация не смогла предсказать, но и делают новые предсказания об отклонении звездного света, которое будет видно во время полного солнечного затмения, предсказания, которые позже подтвердились во время солнечного затмения 1919 года.
Но было и другое решение удивительное и интересное которое появилось всего через несколько недель после публикации Эйнштейном своей общей теории относительности. Карл Шварцшильд проработал дополнительные детали того, что происходит с конфигурацией с одной-единственной точечной массой произвольной величины, и то, что он обнаружил, было примечательным:
- На больших расстояниях справедливо решение Эйнштейна, сводящееся к результатам Ньютона в пределе дальнего поля.
- Но очень близко к массе - на очень определенном расстоянии (R=2M, в натуральных единицах) - вы достигаете точки, из которой ничто не может уйти: горизонта событий.
- Более того, внутри этого горизонта событий все, что входит, неизбежно схлопывается в сторону центральной сингулярности, что неизбежно в соответствии с теорией Эйнштейна.
- И, наконец, любая начальная конфигурация неподвижной пыли без давления (т. е. вещества, имеющего нулевую начальную скорость и не взаимодействующего сама с собой), независимо от формы или распределения плотности, неизбежно схлопнется до стационарная черная дыра.
Это решение - метрика Шварцшильда - было первым полным, нетривиальным решением общей теории относительности, когда-либо обнаруженным.
Итак, имея это в виду, как насчет горячей, плотной, ранней Вселенной, где вся материя и энергия, разбросанные в настоящее время по космическому пространству площадью около 92 миллиардов световых лет, содержались в объеме пространства не больше нашей Солнечной системы?
Вы должны осознать, что, подобно пространству-времени Минковского, решение Шварцшильда является статическим, а это означает, что метрика пространства не меняется с течением времени. Но есть множество других решений -пространство де Ситтера, с одной стороны, и метрика Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера, с другой которые описывают пространство-время, которое либо расширяется, либо сжимается.
Если бы мы начали с материи и энергии, которые были у нашей Вселенной на ранних стадиях Большого Взрыва, и у нас была бы не быстро расширяющаяся Вселенная, а статическая, и одна если бы ни одна из частиц не имела давления или скорости, отличной от нуля, вся эта энергия сформировала бы черную дыру Шварцшильда в чрезвычайно короткие сроки: практически мгновенно. Но в общей теории относительности есть еще одна важная оговорка: не только присутствие материи и энергии определяет кривизну вашего пространства-времени, но свойства и эволюция всего в вашем пространстве определяют эволюцию самого этого пространства-времени!
Самое примечательное в этом то, что мы знаем, начиная с момента Большого взрыва, что наша Вселенная, по-видимому, имеет только три возможных варианта, зависящих от материи и энергии, присутствующих в ней, и начальная скорость расширения:
- Скорость расширения могла быть недостаточно большой для количества материи и энергии, присутствующих в ней, а это означает, что Вселенная расширилась бы в течение (вероятно, короткого) времени, достигла бы максимального размера и затем снова свернуть. Неправильно говорить, что он схлопнется в черную дыру (хотя это заманчивая мысль), потому что само пространство схлопнется вместе со всей материей и энергией, породив сингулярность, известную как Большое сжатие.
- С другой стороны, скорость расширения могла быть слишком большой для того количества материи и энергии, которое в ней присутствует. В этом случае вся материя и энергия будут разлетаться со скоростью, слишком быстрой для того, чтобы гравитация могла собрать все компоненты Вселенной вместе, и для большинства моделей это заставит Вселенную расширяться слишком быстро, чтобы когда-либо сформировать галактики, планеты, звезды, или даже атомы или атомные ядра! Вселенная, в которой скорость расширения была бы слишком велика для содержащегося в ней количества материи и энергии, была бы воистину безлюдным и пустым местом.
- Наконец, есть случай «Златовласки», или случай, когда Вселенная находится прямо на пузыре между повторным коллапсом (что она бы сделала, если бы у нее был только один протон) и расширением в забвение (что было бы достаточно, если бы в нем было на один протон меньше), а вместо этого просто асимптотирует к состоянию, в котором скорость расширения падает до нуля, но никогда полностью не разворачивается, чтобы снова коллапсировать.
Как оказалось, мы живем почти как в случае со Златовлаской, только с небольшим количеством темной энергии, добавленной в смесь, что делает скорость расширения лишь немного большей, и это означает, что в конечном итоге все материя, которая не связаны гравитацией, уже будут разорваны в бездну глубокого космоса.
Что примечательно, так это количество тонкой настройки, которая должна была произойти, чтобы скорость расширения Вселенной и плотность материи и энергии совпадали так хорошо, чтобы мы либо не сжались немедленно, либо не смогли Форма даже основных строительных блоков материи составляет примерно одну часть на 10²⁴, что вроде как взять двух человеческих существ, подсчитать количество электронов в них и обнаружить, что они идентичны с точностью до одного электрона. На самом деле, если мы вернемся к тому времени, когда возраст Вселенной составлял всего одну наносекунду (с момента Большого взрыва), мы можем количественно определить, насколько точно должны быть настроены плотность и скорость расширения.
Уровень, до которого должны уравновешиваться скорость расширения и общая плотность энергии, безумно точен; крошечное изменение тогда привело бы к Вселенной, сильно отличающейся от той, которую мы наблюдаем сейчас. И тем не менее, эта точно настроенная ситуация очень хорошо описывает нашу Вселенную, которая не схлопнулась сразу и не расширилась слишком быстро, образуя сложные структуры. Вместо этого оно породило все чудесное разнообразие ядерных, атомных, молекулярных, клеточных, геологических, планетарных, звездных, галактических и групповых явлений, которые мы имеем сегодня. Нам посчастливилось быть рядом прямо сейчас, узнать об этом все, что у нас есть, и принять участие в предприятии познания еще большего: в научном процессе. Вселенная не схлопнулась в черную дыру из-за удивительно сбалансированных условий, в которых она родилась, и это может быть самым замечательным фактом из всех.