Большой взрыв часто описывают как взрывное рождение Вселенной — уникальный момент, когда возникли пространство, время и материя. Но что, если это было вовсе не начало? Что, если наша Вселенная возникла из чего-то другого — чего-то более привычного и в то же время радикального?
Ракета SpaceX Falcon 9 с миссией ESA «Евклид» на стартовой площадке в 2023 году. ---------------
В новой статье, опубликованной в Physical Review D, мы с коллегами предлагаем поразительную альтернативу. Наши расчёты показывают, что Большой взрыв был не началом всего, а результатом гравитационного сжатия или коллапса, в результате которого образовалась очень массивная чёрная дыра, а затем она взорвалась.
Эта идея, которую мы называем «вселенной чёрных дыр», предлагает совершенно иной взгляд на происхождение Вселенной, но при этом полностью основана на известных физических законах и наблюдениях.
Современная стандартная космологическая модель, основанная на теории Большого взрыва и космической инфляции (идее о том, что ранняя Вселенная быстро расширялась), оказалась на удивление успешной в объяснении структуры и эволюции Вселенной. Но за это приходится платить: она оставляет без ответа некоторые из самых фундаментальных вопросов.
Во-первых, модель Большого взрыва начинается с сингулярности — точки бесконечной плотности, где законы физики перестают действовать. Это не просто технический сбой; это серьёзная теоретическая проблема, которая говорит о том, что мы на самом деле вообще не понимаем, с чего всё началось.
Чтобы объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, физики предположили, что в ранней Вселенной была короткая фаза быстрого расширения, называемая космической инфляцией, которая происходила под действием неизвестного поля со странными свойствами. Позже, чтобы объяснить ускоряющееся расширение, наблюдаемое сегодня, они добавили ещё один «загадочный» компонент: тёмную энергию.
Короче говоря, стандартная модель космологии работает хорошо, но только при условии добавления новых компонентов, которые мы никогда не наблюдали напрямую. Тем временем самые основные вопросы остаются открытыми: откуда всё взялось? Почему всё началось именно так? И почему Вселенная такая плоская, гладкая и большая?
Новая модель Наша новая модель рассматривает эти вопросы с другой стороны — изнутри, а не снаружи. Вместо того чтобы начинать с расширяющейся Вселенной и пытаться понять, как она возникла, мы рассматриваем, что происходит, когда слишком плотное скопление материи сжимается под действием гравитации.
Это знакомый нам процесс: звёзды коллапсируют в чёрные дыры, которые являются одними из наиболее изученных объектов в физике. Но что происходит внутри чёрной дыры, за горизонтом событий, из-за которого ничто не может выбраться, остаётся загадкой.
В 1965 году британский физик Роджер Пенроуз доказал, что при очень общих условиях гравитационный коллапс должен приводить к сингулярности. Этот результат, расширенный покойным британским физиком Стивеном Хокингом и другими, подтверждает идею о том, что сингулярности, подобные той, что возникла при Большом взрыве, неизбежны.
Эта идея помогла Пенроузу получить долю Нобелевской премии по физике 2020 года и вдохновила Хокинга на написание мирового бестселлера «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр». Но есть одно «но». Эти «теоремы о сингулярности» основаны на «классической физике», которая описывает обычные макроскопические объекты. Если мы учтем влияние квантовой механики, которая управляет крошечным микрокосмосом атомов и частиц, как мы должны делать при экстремальных плотностях, картина может измениться.
В нашей новой статье мы показываем, что гравитационный коллапс не обязательно должен заканчиваться сингулярностью. Мы находим точное аналитическое решение — математический результат без каких-либо приближений. Наша математика показывает, что по мере приближения к потенциальной сингулярности размер Вселенной изменяется как (гиперболическая) функция космического времени.
Это простое математическое решение описывает, как сжимающееся облако материи может достичь состояния высокой плотности, а затем отскочить, перейдя в новую фазу расширения.
Но почему теоремы Пенроуза запрещают такие исходы? Всё дело в правиле, называемом принципом квантового запрета, которое гласит, что никакие две идентичные частицы, известные как фермионы, не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (таком как угловой момент, или «спин»).
И мы показываем, что это правило не позволяет частицам в коллапсирующей материи сжиматься бесконечно. В результате коллапс останавливается и обращается вспять. Отскок не только возможен — он неизбежен при определённых условиях.
Важно отметить, что этот отскок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применима к таким крупным объектам, как звёзды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики — никаких экзотических полей, дополнительных измерений или спекулятивной физики не требуется.
То, что возникает по другую сторону от отскока, удивительно похоже на нашу Вселенную. Ещё более удивительно то, что отскок естественным образом порождает две отдельные фазы ускоренного расширения — инфляцию и тёмную энергию, — обусловленные не гипотетическими полями, а самой физикой отскока.
Проверяемые прогнозы Одним из преимуществ этой модели является то, что она позволяет делать проверяемые прогнозы. Она предсказывает наличие небольшой, но ненулевой положительной пространственной кривизны, то есть Вселенная не совсем плоская, а слегка изогнута, как поверхность Земли.
Это просто остаток первоначальной небольшой сверхплотности, которая вызвала коллапс. Если будущие наблюдения, такие как продолжающаяся миссия «Евклид», подтвердят наличие небольшой положительной кривизны, это будет убедительным доказательством того, что наша Вселенная действительно возникла в результате такого отскока. Это также позволяет сделать прогнозы относительно скорости расширения Вселенной в настоящее время, что уже было подтверждено.
Эта модель не только устраняет технические проблемы стандартной космологии. Она также может пролить свет на другие глубокие тайны нашего понимания ранней Вселенной, такие как происхождение сверхмассивных чёрных дыр, природа тёмной материи или иерархическое формирование и эволюция галактик.
Эти вопросы будут изучаться в ходе будущих космических миссий, таких как «Арракис», которые будут исследовать диффузные объекты, такие как звёздные гало (сферическая структура из звёзд и шаровых скоплений, окружающих галактики) и галактики-спутники (более мелкие галактики, вращающиеся вокруг более крупных), которые трудно обнаружить с помощью традиционных телескопов с Земли и которые помогут нам понять тёмную материю и эволюцию галактик.
Эти явления также могут быть связаны с остаточными компактными объектами, такими как чёрные дыры, которые сформировались на этапе коллапса и пережили отскок.
Вселенная чёрных дыр также предлагает новый взгляд на наше место в космосе. Согласно этой теории, вся наша наблюдаемая Вселенная находится внутри чёрной дыры, образовавшейся в более крупной «родительской» Вселенной.
Мы не уникальны, как и Земля в геоцентрической системе мира, из-за которой Галилея (астронома, предположившего, что Земля вращается вокруг Солнца в XVI и XVII веках) поместили под домашний арест.
Мы наблюдаем не за рождением всего из ничего, а за продолжением космического цикла, сформированного гравитацией, квантовой механикой и глубокими взаимосвязями между ними.
:::МАРС и КОСМОС:::
Что, если Большой взрыв не был началом?
Большой взрыв часто описывают как взрывное рождение Вселенной — уникальный момент, когда возникли пространство, время и материя. Но что, если это было вовсе не начало? Что, если наша Вселенная возникла из чего-то другого — чего-то более привычного и в то же время радикального?---------------
В новой статье, опубликованной в Physical Review D, мы с коллегами предлагаем поразительную альтернативу. Наши расчёты показывают, что Большой взрыв был не началом всего, а результатом гравитационного сжатия или коллапса, в результате которого образовалась очень массивная чёрная дыра, а затем она взорвалась.
Эта идея, которую мы называем «вселенной чёрных дыр», предлагает совершенно иной взгляд на происхождение Вселенной, но при этом полностью основана на известных физических законах и наблюдениях.
Современная стандартная космологическая модель, основанная на теории Большого взрыва и космической инфляции (идее о том, что ранняя Вселенная быстро расширялась), оказалась на удивление успешной в объяснении структуры и эволюции Вселенной. Но за это приходится платить: она оставляет без ответа некоторые из самых фундаментальных вопросов.
Во-первых, модель Большого взрыва начинается с сингулярности — точки бесконечной плотности, где законы физики перестают действовать. Это не просто технический сбой; это серьёзная теоретическая проблема, которая говорит о том, что мы на самом деле вообще не понимаем, с чего всё началось.
Чтобы объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, физики предположили, что в ранней Вселенной была короткая фаза быстрого расширения, называемая космической инфляцией, которая происходила под действием неизвестного поля со странными свойствами. Позже, чтобы объяснить ускоряющееся расширение, наблюдаемое сегодня, они добавили ещё один «загадочный» компонент: тёмную энергию.
Короче говоря, стандартная модель космологии работает хорошо, но только при условии добавления новых компонентов, которые мы никогда не наблюдали напрямую. Тем временем самые основные вопросы остаются открытыми: откуда всё взялось? Почему всё началось именно так? И почему Вселенная такая плоская, гладкая и большая?
Новая модель
Наша новая модель рассматривает эти вопросы с другой стороны — изнутри, а не снаружи. Вместо того чтобы начинать с расширяющейся Вселенной и пытаться понять, как она возникла, мы рассматриваем, что происходит, когда слишком плотное скопление материи сжимается под действием гравитации.
Это знакомый нам процесс: звёзды коллапсируют в чёрные дыры, которые являются одними из наиболее изученных объектов в физике. Но что происходит внутри чёрной дыры, за горизонтом событий, из-за которого ничто не может выбраться, остаётся загадкой.
В 1965 году британский физик Роджер Пенроуз доказал, что при очень общих условиях гравитационный коллапс должен приводить к сингулярности. Этот результат, расширенный покойным британским физиком Стивеном Хокингом и другими, подтверждает идею о том, что сингулярности, подобные той, что возникла при Большом взрыве, неизбежны.
Эта идея помогла Пенроузу получить долю Нобелевской премии по физике 2020 года и вдохновила Хокинга на написание мирового бестселлера «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр». Но есть одно «но». Эти «теоремы о сингулярности» основаны на «классической физике», которая описывает обычные макроскопические объекты. Если мы учтем влияние квантовой механики, которая управляет крошечным микрокосмосом атомов и частиц, как мы должны делать при экстремальных плотностях, картина может измениться.
В нашей новой статье мы показываем, что гравитационный коллапс не обязательно должен заканчиваться сингулярностью. Мы находим точное аналитическое решение — математический результат без каких-либо приближений. Наша математика показывает, что по мере приближения к потенциальной сингулярности размер Вселенной изменяется как (гиперболическая) функция космического времени.
Это простое математическое решение описывает, как сжимающееся облако материи может достичь состояния высокой плотности, а затем отскочить, перейдя в новую фазу расширения.
Но почему теоремы Пенроуза запрещают такие исходы? Всё дело в правиле, называемом принципом квантового запрета, которое гласит, что никакие две идентичные частицы, известные как фермионы, не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (таком как угловой момент, или «спин»).
И мы показываем, что это правило не позволяет частицам в коллапсирующей материи сжиматься бесконечно. В результате коллапс останавливается и обращается вспять. Отскок не только возможен — он неизбежен при определённых условиях.
Важно отметить, что этот отскок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применима к таким крупным объектам, как звёзды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики — никаких экзотических полей, дополнительных измерений или спекулятивной физики не требуется.
То, что возникает по другую сторону от отскока, удивительно похоже на нашу Вселенную. Ещё более удивительно то, что отскок естественным образом порождает две отдельные фазы ускоренного расширения — инфляцию и тёмную энергию, — обусловленные не гипотетическими полями, а самой физикой отскока.
Проверяемые прогнозы
Одним из преимуществ этой модели является то, что она позволяет делать проверяемые прогнозы. Она предсказывает наличие небольшой, но ненулевой положительной пространственной кривизны, то есть Вселенная не совсем плоская, а слегка изогнута, как поверхность Земли.
Это просто остаток первоначальной небольшой сверхплотности, которая вызвала коллапс. Если будущие наблюдения, такие как продолжающаяся миссия «Евклид», подтвердят наличие небольшой положительной кривизны, это будет убедительным доказательством того, что наша Вселенная действительно возникла в результате такого отскока. Это также позволяет сделать прогнозы относительно скорости расширения Вселенной в настоящее время, что уже было подтверждено.
Эта модель не только устраняет технические проблемы стандартной космологии. Она также может пролить свет на другие глубокие тайны нашего понимания ранней Вселенной, такие как происхождение сверхмассивных чёрных дыр, природа тёмной материи или иерархическое формирование и эволюция галактик.
Эти вопросы будут изучаться в ходе будущих космических миссий, таких как «Арракис», которые будут исследовать диффузные объекты, такие как звёздные гало (сферическая структура из звёзд и шаровых скоплений, окружающих галактики) и галактики-спутники (более мелкие галактики, вращающиеся вокруг более крупных), которые трудно обнаружить с помощью традиционных телескопов с Земли и которые помогут нам понять тёмную материю и эволюцию галактик.
Эти явления также могут быть связаны с остаточными компактными объектами, такими как чёрные дыры, которые сформировались на этапе коллапса и пережили отскок.
Вселенная чёрных дыр также предлагает новый взгляд на наше место в космосе. Согласно этой теории, вся наша наблюдаемая Вселенная находится внутри чёрной дыры, образовавшейся в более крупной «родительской» Вселенной.
Мы не уникальны, как и Земля в геоцентрической системе мира, из-за которой Галилея (астронома, предположившего, что Земля вращается вокруг Солнца в XVI и XVII веках) поместили под домашний арест.
Мы наблюдаем не за рождением всего из ничего, а за продолжением космического цикла, сформированного гравитацией, квантовой механикой и глубокими взаимосвязями между ними.
Энрике Гастанага