Что стало причиной Большого Взрыва?

В начале был знак вопроса. А потом и все остальное. Конец. Все мы слышали о теории Большого Взрыва (я сейчас про космологическую модель, а не про сериал), но важно понимать, чем эта теория является, а чем нет. Позвольте разъяснить одну точную, понятную и до смешного простую вещь: теория Большого Взрыва — это не теория создания Вселенной. Зафиксируйте это для протокола. Поправляйте людей, когда они ошибаются.

Дело в том, что существует большая путаница со всех сторон, и лучше было бы держать все в простоте. Теория Большого Взрыва — это научная модель, как и любая другая научная модель. Мы считаем, что она правильная, поскольку — внимание — ее поддерживает широкий спектр доказательств.
 

С момента появления этой идеи, теория Большого Взрыва пережила десятилетия борьбы среди ученых, которые царапались, дрались, били в спину, критиковали, подрывали, пререкались, спорили и даже обзывались, пытаясь раздавить своих соперников и доказать, что их альтернатива лучше. Почему? Потому что тот, кто предложит лучшую научную парадигму, получит бесплатную путевку в Стокгольм.

И, в конце концов, никто не отменял доказательства. Вы знаете эту вселенную, которую мы пытаемся понять. Любое новое наблюдение — это гром средь бела дня в научном мире; две теории могут войти, но останется только одна. И что осталось спустя десятилетия наблюдений? Подсказка: большой.

Доказательства начались с момента, когда Эдвин Хаббл заметил, что каждая галактика, в среднем, улетает от каждой другой галактики. Вселенная расширяется. Этот факт сам по себе уже довольно сильный. На протяжении тысячелетий основным допущением (и винить-то некого) было то, что хотя здесь, на Земле, вещи меняются, далеко в небесах все относительно неизменно. Звезды взрываются, галактики сталкиваются, но в целом Вселенная две недели назад похожа на Вселенную сегодня. Проверьте через месяц — то же самое. Так думали люди.

И ошибались. Вселенная сегодня совсем не похожа на Вселенную вчера, и завтра она будет уже другой. И не только в локальных масштабах.

И если вы заметили, что каждый день Вселенная становится больше, можно приложить логическое усилие и додуматься, что давным-давно Вселенная была… меньше? Да? Я угадал? И если ученый внутри вас еще не погиб, как только вы дойдете до этой нелепой и смешной концепции, вы задумаетесь о последствиях и о том, как проверить эту сомнительную, на первый взгляд, теорию.

История последних 14 с лишним миллиардов лет — это история плотности. Вселенная состоит из кучи всякой всячины: водород, гелий, еноты, темная материя, хрящиков, фотонов, чертовых колес, нейтрино и так далее. Все это проявляет себя по-разному при различной плотности, поэтому когда Вселенная была меньше, один тип вещей мог преобладать над другим, и физическое поведение этих вещей могло управлять ходом событий.

К примеру, в наши дни Вселенная представлена по большей части темной энергией (чем бы она ни была), и ее поведение управляет Вселенной — в нашем случае это период ускоренного расширения. Но несколько миллиардов лет назад Вселенная была меньше, и вся материя была упакована плотнее. В силу этой плотности, правителем насеста была материя, подавляющая темную энергию, которая была скорее фоновым занавесом, нежели двигателем современности.

(Заметка на полях: перехват инициативы темной энергией произошел почти в то же время, когда наша Солнечная система собирала себя по частям, и в то же время Вселенная была примерно в два раза меньше).

Рождение эпохи темной материи может показаться не особенно драматичным, но чем дальше во времени — и чем меньше Вселенная — тем более странными становятся вещи. Вернитесь на больше чем 13 миллиардов лет, когда Вселенная была в тысячу раз меньше своего текущего размера, и вещество, которое однажды будет составлять целые галактики, окажется так плотно стиснутым воедино, что даже атомы не смогут образоваться. Она настолько плотная, что каждый раз, когда ядро притягивает электрон, в него врезается ветреный высокоэнергетический фотон, выбивая электрон прочь. Это плазма, и когда-то вся вселенная была именно в таком состоянии.

Перемотайте в сегодняшний день, и оставшийся свет той эпохи, когда Вселенная остыла и расширилась достаточно, чтобы дать образоваться первым атомам, продолжает просвечивать нас даже сейчас. Но Вселенная старше и холоднее, и эти высокоэнергетические гамма-лучи представляют собой слабенькие микроволны, создающие фон, пронизывающий космос — космический микроволновый фон, реликтовое излучение, CMB.

CMB не только один из главных признаков Большого Взрыва (этакий снимок юной Вселенной), но и окошко в более ранние времена. Пусть мы и не можем воспринимать Вселенную до образования реликтового излучения, но физика того времени оставила отпечаток на самом радиационном фоне. Это важно.

Чем дальше мы возвращаемся во времени, тем меньше мы узнаем вселенную — она еще страннее плазменной. Вернитесь назад во времени — и обнаружите, что не могут образовываться стабильные ядра. Еще дальше — протоны и нейтроны не могут выдержать давление и вырождаются в свои компоненты: кварки и глюоны. А дальше все сложно.

Теорию Большого Взрыва можно резюмировать так: однажды вся Вселенная — все, что вы знаете и любите, на Земле и на небе — была сжата в шар с температурой в триллион градусов размером с яблоко. Или персик. Или небольшой грейпфрут. Неважно.

Это заявление звучит просто смешно, а если бы вы еще и сказали о таком пару сотен лет назад… Вас бы сожгли на костре, причем не церковь, а сами ученые. Но каким бы безумием эта теория ни была, мы можем изучать эту эпоху, опираясь на свои знания физики высоких энергий. Мы можем смоделировать физику вселенной этой ранней эпохи и проследить ее последствия в более поздних временах. Можем делать прогнозы и заниматься наукой.

В «эпоху персика» возраст Вселенной был какую-то долю секунды. Даже меньше доли — 10^-36 секунды или около того. С того момента мы имеем примерную картинку того, как функционирует Вселенная. Некоторые вопросы, конечно, остаются открытыми, но в целом у нас есть хотя бы смутное понимание.

Чем старше становится Вселенная, тем четче становится наша картинка, но страшно даже осознавать, что наши бедные обезьяньи мозги постигли настолько юную эпоху Вселенной.

Что касается еще более ранних времен, наше понимание Вселенной становится… размытым. Силы, энергии, плотности, температуры становятся слишком высокими, и понимание физики, которое мы накапливали столетиями, не справляется с задачей. В очень ранней Вселенной гравитация приобретает особую важность на малых масштабах, а это уже покои квантовой гравитации, система которой пока ускользает от современных физиков. У нас просто нет никакого понятия о том, что происходит с сильной гравитацией на малых масштабах.

Просто. Нет.

До этих 10^-36 секунд мы просто не понимаем природу Вселенной. Теория Большого Взрыва фантастически точно описывает все, что было после этого, но до — непонятно. На достаточно малых масштабах мы даже не знаем, имело ли смысл слово «до». На невероятно крошечных масштабах (еще меньше тех, что вы можете представить в теории), квантовая природа реальности поднимает свою уродливую голову в полную силу, превращая наше дружелюбное пространство-время в джунгли, полные капканов, ловушек и острых шипов. Понятия пространства и времени попросту не работают в таких масштабах. Никто не знает, что происходит.

Конечно, есть некоторые идеи — модели, описывающие, что могло «зажечь» или «посеять» Большой Взрыв, но на данном этапе они сугубо спекулятивны. Если эти идеи получать поддержку в виде наблюдений — к примеру, особенный отпечаток на реликтовом фоне — тогда да, мы сможем их прорабатывать.

Если же нет, то они останутся сказками на ночь. Как, впрочем, и все, что мы можем сказать на тему того, что было до Большого Взрыва.