что было до космоса и вселенной
Ученые: до нашей Вселенной что-то существовало
Американские ученые описали неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения Вселенной. В связи с этим авторы считают, что наша Вселенная возникла в результате распада предыдущей. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Читайте «Хайтек» в
Согласно общепринятой теории Большого взрыва, Вселенная началась с сингулярности — состояния, в котором вся материя и энергия были сжаты в одну точку. Затем космос расширился до огромных размеров. Но теория Большого взрыва не объясняет, что было до сингулярности, поэтому это состояние невозможно описать с точки зрения законов физики и математики.
Ученые из Университета штата Пенсильвания придерживаются другой точки зрения: гипотезы Большого отскока, согласно которой наша расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы вселенной предыдущей фазы. Для описания этого состояния они используют универсальный математический аппарат, объединяющий квантовую механику и теорию относительности.
В новом исследовании ученые доказывают, что с точки зрения петлевой квантовой космологии описание инфляции устраняет две основные аномалии в распределении реликтового излучения.
Используя космологию квантовой петли, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, что позволяет избежать потенциального кризиса. Присутствие этих аномалий говорит о том, что мы живем в исключительной Вселенной.
Донхуи Чжон, автор исследования
Авторы считают, что неоднородности реликтового излучения являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной. Во время ускоренной фазы расширения, про которую мы уже упоминали, эти изначально крошечные флуктуации растягивались под воздействием силы тяжести, отражаясь в наблюдаемых неоднородностях.
Выводы американских ученых могут подтвердить или опровергнуть новые спутниковые миссии, такие как LiteBIRD и Cosmic Origins Explorer: они нацелены на обнаружение следов первичных гравитационных волн на фоне реликтового излучения.
Что было до появления Вселенной
Что было до появления Вселенной
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный пытался понять природу Бога до сотворения Вселенной. И знаете, к чему он пришел? Время было частью Божьего творения и просто не было никакого «до».
Один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пришел практически к таким же выводам в разработке своей теории относительности. Достаточно обратить внимание на влияние массы на время. Гигантская масса планеты искажает время, заставляя его течь медленнее для человека на поверхности, нежели для космонавта на орбите. Разница слишком мала, чтобы быть очевидной, но на самом деле человек, стоящий у большого камня, стареет медленнее, чем тот, кто стоит в поле. Но чтобы стать моложе на секунду, понадобится миллиард лет. Сингулярность до большого взрыва обладала всей массой вселенной, что, фактически, ставило время в тупик.
По теории относительности Эйнштейна, время появилось на свет ровно в тот момент, когда сингулярность начала расширяться и вышла за пределы сжатой бесконечности. Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна развитие квантовой физики и множество новых теорий возобновили споры о природе Вселенной до Большого взрыва. Давайте посмотрим.
Браны, циклы и другие идеи
«А Бог плюнул, ушел и хлопнул дверью,
Мы были за ним — а дверей уже нет».
А. Непомнящий
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва: космический микроволновый фон.
Впервые астрономы зафиксировали реликтовое излучение в 1965 году, и оно породило определенные проблемы в теории большого взрыва — проблемы, которые заставили ученых ненадолго (до 1981 года) заморочиться и вывести инфляционную теорию. Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями на Facebook:
Что было до Вселенной и откуда она возникла?
Откуда взялась Вселенная? Наша сознание все равно ищет начало и причину всему, и идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу. Возможно, когда-нибудь наука объяснит не только то, как мир устроен, но и почему он устроен именно так.
Что было до Вселенной — этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный пытался понять природу Бога до сотворения Вселенной. И знаете, к чему он пришел? Время было частью Божьего творения и просто не было никакого «до».
Один из лучших физиков XX века Альберт Эйнштейн пришел практически к таким же выводам в разработке своей теории относительности. Достаточно обратить внимание на влияние массы на время. Гигантская масса планеты искажает время, заставляя его течь медленнее для человека на поверхности, нежели для космонавта на орбите. Разница слишком мала, чтобы быть очевидной, но на самом деле человек, стоящий у большого камня, стареет медленнее, чем тот, кто стоит в поле. Но чтобы стать моложе на секунду, понадобится миллиард лет. Сингулярность до большого взрыва обладала всей массой вселенной, что, фактически, ставило время в тупик.
Теперь в теоретической физике разработана теория, говорящая про инфляционное расширение в первые доли секунды после Большого взрыва, а также определен принцип космического отбора Вселенных, похожий на принцип естественного отбора Дарвина.
Непривычно — инфляция Вселенной, естественный отбор Вселенных!
Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет определенное начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной – таким образом, мы вновь будто возвращаемся к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.
Предположение, что Вселенная расширяется, подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва.
Согласно инфляционной теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!).
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени — только то, как она развивалась позже. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик на Большом взрыве беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.
По словам Стивена Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определённым образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдётся сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределённости. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей».
Тем не менее остается вопрос: почему же существуют вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов – причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?
Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий.
Так если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом «Откуда взялись материя и энергия во Вселенной?»: внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.
Квантовая космология
Как именно можно понять, что через долю секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (среди них и Стивен Хокинг) стали задаваться вопросом: «А что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом?». Так и родилась инфляционная квантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона».
Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом – это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.
То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.
Утверждение физиков «вакуум неустойчив» подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота является названием разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все математические поля равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?
Одним из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, является принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что определенные пары свойств связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другой парой сопряженных переменных являются время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем меньше вы знаете об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.
Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой – точнее, пустота неустойчива, или же чистой пустоты попросту не существует.
Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.
Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную возможность. Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность.
Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой, и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит.
Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде, чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»
Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг. На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 80-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности, распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.
Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.
Таким образом, сингулярность в начале Вселенной является не событием во времени, а скорее временной границей или краем. До нее никакого времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере, во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается.
Что было до Большого взрыва? [Fraser Cain]
Примерно тринадцать и восемь миллиардов лет назад Вселенная родилась в результате взрыва. Она с ноги открыла дверь, достала сыр и кубики льда, поставила огромную чашу с пуншем и пригласила всех соседей на вечеринку, да еще какую — всем вечеринкам вечеринку, до конца времен.
А что происходило до этого? Что было до Большого Взрыва?
Всё, что мы можем отсюда различить — это реликтовое излучение, появившееся через триста восемьдесят тысяч лет после Большого Взрыва. До него ничего разглядеть невозможно, Вселенная была непрозрачно плотной и горячей. Как гороховый суп. Суп из вкуснейшего, обжигающего, калорийного “всего”.
В ущербной, традиционной, земной системе координат, без ТАРДИС, мы не в состоянии увидеть происхождение Вселенной со своего места в пространстве и времени. Черт тебя побери, наше место в пространстве и времени! К счастью, нашлись умники, озвучившие некоторые гипотезы — местами шальные, местами уму непостижимые, бредовые все без исключения.
Мысль первая: всё началось как своеобразное квантовое колебание, расширившееся до современной вселенной. Нечто совершенно неуловимое, разрастаясь со временем, породило, как побочный продукт, наше существование.
Альтернативная версия: наша вселенная зародилась в чёрной дыре более древней вселенной. Задумайтесь об этом. Проварите в своем котелке. Была какая-то вселенная прямо здесь, но не наша вселенная, потом она стала чёрной дырой. А из этой дыры родились мы и ВСЁ вокруг нас. Буквально, всё, что мы видим, куда ни поглядим, и всё, что существует пока только в нашем воображении.
Вот вам ещё идея: мы постоянно наблюдаем появление новых частиц во Вселенной. А что если, по прошествии долгого времени, целая армия частиц, так чтобы хватило на вселенную, появилась одномоментно? Серьёзно… А сначала долго-долго скапливались множества “недовселенных”, которым не везло.
Совсем недавно команда БАЙСЕП-ДВА обнаружила вероятные свидетельства инфляции ранней вселенной. Их выводы, как все заявления подобного масштаба, вызвали жёсткую полемику. Если версия инфляции верна, наша вселенная может являться частью бОльшей мультивселенной. И самый популярный вариант этой версии предполагает вечное расширение, при котором вселенные появляются постоянно. А наша оказалась одной из них случайно.
Возможно, спрашивать, что было до Большого Взрыва — всё равно, что спрашивать, что севернее Северного Полюса. Может быть, в наличие первопричины нас заставляет верить выбранный нами ракурс? Нам хочется думать, что у явлений должна быть причина, но вдруг Вселенная — исключение? Может, она просто есть. Потому что.
Придумайте сами. Что было до начала вечеринки? Расскажите нам в комментариях.
До появления Земли
Никто не знает, когда древний человек, глядя в ночное небо, впервые стал задаваться вопросами: откуда взялись бесчисленные звезды, как появилась Луна, почему Солнце каждый день восходит и заходит? Пытаясь найти объяснение, многие народы создавали мифы и красивые легенды, но научные гипотезы появились очень нескоро.
Последовательная теория, позволяющая шаг за шагом обосновать возникновение Солнечной системы, сформировалась лишь в последнее столетие. Сравнительно недавно по меркам истории люди получили связное объяснение и тому, как Земля стала единственной планетой во Вселенной, на которой существует жизнь.
Появление Вселенной (13,7 ± 0,13 млрд лет назад)
Наиболее распространенное объяснение возникновения Вселенной, — это теория Большого взрыва (далее — ТБВ). Она кажется невероятной и поражает человеческое воображение, однако не нужно сравнивать ее с религиозными мифами — ТБВ основана на физических наблюдениях и математических расчетах. При этом до сих пор остается много вопросов, на которые наука ответить не может, например что было, когда Вселенная еще не существовала, и что взорвалось? Человеческому воображению это не подвластно, а ученые придумали красивый термин для названия Вселенной до Большого взрыва: космологическая сингулярность (от латинского слова singularis — одиночный).
Наблюдения астрономов доказали, что галактики — гигантские скопления звезд и их планет — постоянно движутся, удаляясь от наблюдателя.
Считается, что то же самое мы увидели бы из любой точки Вселенной. Это дало основание предположить следующее: если вещество Вселенной движется, удаляясь от некой точки, вероятно, когда-то оно в ней находилось. На основе этой несложной гипотезы и возникла ТБВ.
Невероятная мощь Большого взрыва заставила вещество будущей Вселенной разлететься в пустоте, которая позже стала космосом. Дальнейшие события разделяют на несколько этапов — фазовых переходов развития Вселенной. Считается, что сначала, на этапе космической инфляции (то есть раздувания), появились силы притяжения между отдельными (теперь уже!) телами. Затем через невероятно малые доли секунды наступил следующий фазовый переход — бариогенезис (барионы — вид элементарных частиц). На этом этапе возникли те «кубики», из которых собрана любая материя — протоны и нейтроны, составляющие атомы.
Температура стала падать, и произошел заключительный фазовый переход — образование физических сил (кроме силы тяготения) и элементарных частиц в их нынешнем виде.
Через 380 тыс. лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что стало возможным существование атомов первого элемента таблицы Менделеева — водорода. Потом возникли и другие виды частиц (химические элементы). Новообразованные атомы создавали гигантские облака пыли и газов, составляющие которых притягивались друг к другу. Так со временем возникали звезды, планеты и целые галактики.
Возникновение Солнца и планет Солнечной системы (5–4,5 млрд лет назад)
В одной из галактик (огромных скоплений звезд и их спутников-планет), которую называют Млечный Путь, находится звезда средней величины — Солнце. Восемь планет являются его спутниками и образуют Солнечную систему. На месте нашей галактики 5 млрд лет назад была пустота, или вакуум.
Отдельные атомы находились друг от друга так далеко, что возможность их столкновения и соединения была близка к нулю. Около 95% тех немногих элементарных частиц, которые существовали, составляли водород и гелий, а на более тяжелые элементы их приходилось не более 1–2%. Кислород, углерод и азот, важные для возникновения будущей жизни, были задолго до того, как на месте пустоты появились Солнце и планеты.
Для того чтобы из разбросанных в пустоте частиц возникла Солнечная система, необходимо было с колоссальной силой сжать первичное межзвездное облако. Как это произошло — мы можем только догадываться. Одно из объяснений заключается в том, что неподалеку взорвалась неизвестная нам большая звезда, ударная волна взрыва сжала межзвездное облако и привела к формированию небесных тел.
Микроскопические частицы, которые составляли облако, оказались достаточно близко друг к другу. При этом намного возросли и силы притяжения (как вы помните из физики, она обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами). Увеличилась плотность межзвездных облаков, и появились гигантские скопления пыли и газов — туманности.
Звездные свет и тепло плохо проходили сквозь туманности, в результате чего температура (а давление газа пропорционально ей) там понижалась почти до абсолютного нуля. В результате облака сжимались и разделялись на более мелкие части. Одна из них в итоге превратилась в Солнечную систему.
При падении давления и сжатии облака большее количество вещества переместилось к его середине. Так в центре туманности образовалось протосолнце (от греческого «протос» — первый), которое сохранило связь с оставшимися газами вокруг себя с помощью магнитного поля. Эти внешние части облака и дали начало планетам Солнечной системы.
Из протосолнца развилось наше родное Солнце. Новая звезда сконцентрировала в себе почти все вещество протосолнечной туманности. Огромное давление, которое возникло в ее ядре, вызвало цепочку термоядерных реакций.
Нашему светилу около 4,57 млрд лет. Звезды такой массы и размера живут примерно 10 млрд лет, значит, Солнце сейчас находится в середине своего жизненного цикла.
Солнце, как и всякая звезда, для всех своих планет является источником энергии, выделяемой в виде света и тепла.