Как возникла Вселенная и что было дальше?
Вселенная, которую мы наблюдаем, — это односторонняя машина времени. Чем дальше находится то, что мы видим, тем сильнее оно погружено в прошлое. Но ближе к началу времен есть предел, заглянуть за который почти невозможно. Что скрывается там, за невидимым горизонтом Вселенной?
Рассказывает гость программы «Вопрос науки» — академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и заведующий кафедрой космологии и физики частиц Физического факультета МГУ Валерий Анатольевич Рубаков.
14 млрд лет расширения Вселенной
Мы хорошо знаем, как расширялась Вселенная с самой первой секунды. Это экспериментальный факт. Сегодня ей почти 14 млрд лет. Когда ее возраст исчислялся одной секундой, температура в ней составляла миллиарды градусов Кельвина (°К). Она была горячая, плотная и быстро-быстро расширялась! В течение секунды все расстояния увеличились вдвое. Это мы знаем из измерений одного сорта. А из измерений другого сорта мы знаем уже во всех деталях, как она была устроена, когда ее возраст составлял примерно 380 000 лет. Температура у этой довольно юной Вселенной была уже поменьше — 3000 °К.
За этим фактом стоит вся история исследований. Почему мы об этом знаем? Потому что до этого момента — 380 000 лет — Вселенная была в плазменном состоянии, состояла в основном из протонов и электронов, была непрозрачной. А когда она остыла до 3000 °К, эта плазма превратилась в газ, в основном водород. Газ был очень прозрачный для электромагнитного излучения, и оно пошло свободно гулять по Вселенной и пришло к нам. И вот, глядя на это электромагнитное излучение, мы знаем, как она была устроена.
Мы имеем фотографию того, как была устроена Вселенная в то время. Совершенно не так, как у нас сейчас. Она была очень однородная, были слабенькие неоднородности — на уровне 0,0001. По мере расширения реликтовое излучение остыло, сейчас его температура — 2,7 °К.
Фотография говорит нам о том, что Вселенная была очень однородная, но были небольшие неоднородности, которые по мере эволюции, расширения Вселенной, превращались в галактики, скопления галактик, сгущались и давали жизнь всем структурам и нам с вами в конце концов.
Конечно, первые звезды появились раньше, чем мы. Они появились примерно через 400–300 млн лет после описанного события. Но все равно потребовались многие сотни миллионов лет, чтобы образовались звезды и самые первые галактики. Этот процесс продолжался долго — все 14 млрд лет.
Мы понимаем, что Вселенная была горячей плотной средой. Мы знаем, как она расширялась и с каким темпом она расширялась. До первой секунды дойти тоже просто, ведь секунда у нас — температура миллиард градусов, это не бог весть какая температура, и физику эту мы прекрасно знаем. Мы знаем общую теорию относительности, а значит, мы знаем темп расширения Вселенной, и нет никаких больших проблем продолжить этот процесс — экстраполировать назад во времени.
В то время работала ядерная физика. Как на Солнце термоядерная реакция происходит, так и во Вселенной были термоядерные реакции, по результатам которых мы, собственно, и знаем, что происходило. Чтобы понять, что было раньше, приходится экстраполировать дальше — на основе тех знаний, которые мы сегодня имеем о физике элементарных частиц, о гравитации. Вот тут уже начинаются гипотезы.
Альтернативные гипотезы о зарождении Вселенной
Если вы пойдете дальше во времени назад на основании тех знаний, которые у нас есть сегодня, — на доли секунды после Большого взрыва, вы придете к ситуации, когда у вас есть начало: Большой взрыв. Это момент времени, когда во Вселенной была гигантская температура, гигантский темп расширения. Невозможно себе представить какой, но настолько гигантский, что мы уже перестаем иметь возможность описывать это в рамках наших представлений. Надо сказать, что Большой взрыв — это не взрыв из точки, а это сразу во всей Вселенной произошел такой поджог, если хотите.
Такая картинка не вяжется с тем, что мы знаем из этой фотографии… Если бы все было устроено так, как мы сейчас с вами обговорили, то у нас есть начало всех времен — ноликом обозначенное время. И есть распространение сигнала. С того момента, когда образовалась наша Вселенная, можно себе представить, что были испущены какие-то сигналы. Неважно какие, но они движутся со скоростью света, не быстрее. Тогда у вас есть световой конус, то есть размер, сколько пробежал этот сигнал... Области вне этого размера друг с другом не «разговаривали» к этому моменту, не могли получить никаких сведений друг о друге и обменяться никакой информацией. Мы находимся далеко впереди во времени и видим много-много таких областей, которые друг с другом никак не связаны и ничего друг о друге не знают.
А теперь посмотрите: Вселенная абсолютно одинаковая везде. Как так получилось? Одна область с другой «разговаривать» не могла, а температура в них в точности одинаковая — с гигантской, фантастической точностью. Как же получилось так, что в большущей области Вселенной температура и плотность оказались чуть-чуть поменьше, а в другом месте — чуть-чуть побольше? (На фото более холодные области обозначены темно-синим и голубым цветом, а более теплые — желтым. — Прим. ред.) Как были созданы все эти неоднородности, которые мы видим? Чтобы это понять, нужно от этой картинки уйти назад во времени гораздо дальше: отправиться далеко-далеко в прошлое, в начало Вселенной.
Существует гипотеза о том, что горячая стадия началась гораздо позже, чем изначально предполагалось. Было что-то совершенно особенное еще раньше. Наиболее красивая и правдоподобная гипотеза об этом — инфляция. Она описывает ситуацию, когда Вселенная расширяется очень быстро, чрезвычайно, невероятно быстро, и за очень короткое время становится огромной. За мельчайшие доли секунды маленький кусочек Вселенной становится огромного размера — такое может быть. И вот тогда такая картинка начинает работать. Но для этого нужно, конечно, специальную теорию создать. Потому что горячая фаза такова, что в ней Вселенная так быстро не расширяется, нужно иметь какую-то другую материю…
Энергия этой изначальной субстанции должна была перейти в тепло, и тогда началась горячая стадия. И это еще одна задачка для ученых. Первая задача — понять, почему эта Вселенная так гигантски расширилась, а другая задача — понять, как это получилось, что энергия некой субстанции (ее еще называют «инфлатон» — гипотетическая элементарная частица. — Прим. ред.) перешла в энергию частиц, в тепло. Теоретически мы умеем отвечать на все эти вопросы, а экспериментально — нет. Поэтому все это остается популярной гипотезой.
А вообще, в теории можно представить себе другие сценарии и другие модели. Например, Вселенная в самом начале могла быть примерно такой же, как сегодня. Только сегодня Вселенная расширяется, а когда-то давным-давно она могла сжиматься: медленно-медленно, потихонечку. Потом должно было произойти чудо — сжатие должно было смениться расширением... Эта теория сегодня в работе. Не я один, а мы вместе с коллегами и многие другие группы пытаются придумать теоретически самосогласованные теории, модели, где такое бы происходило. Обсуждается и другая возможность: есть недавнее предположение о том, что Вселенная вообще может начинаться с пустого плоского пространства. Пустого в том смысле, что энергии никакой в нем нет, плоское, так как в нем ничего не эволюционирует. Потом потихонечку энергия нарастает, плотность энергии и темп расширения растут, и со временем Вселенная выходит ускоренно в гигантский темп расширения. И тут опять нужно, чтобы энергия, которая обеспечивает расширение, перешла в тепло. Рассматривается такая динамика и такие уравнения. Мои итальянские коллеги назвали эту модель «Генезис» — это английское название первой книги Библии.
Что мы знаем о структуре Вселенной?
Это отдельный вопрос, как и вопрос об асимметрии между материей и антиматерией и вопрос о том, как образовалась темная материя во Вселенной. Думается, что генерация образования этих свойств произошла, скорее всего, на горячей стадии.
На языке физики элементарных частиц это называется «поля». Нужны очень необычные сущности и поля, которые обладают совершенно особенными свойствами. Во всех сценариях, которые я перечислил, требуются совершенно новые поля. Эти сущности потом никуда не делись, и, по идее, они должны быть. Но они вполне могут быть очень слабо взаимодействующими с обычной материей, с обычным веществом, из-за этого их очень трудно обнаружить в лаборатории.
А когда-то они доминировали. И нужно организовать теорию так, чтобы они тогда доминировали, а сегодня были бы безопасны с точки зрения эксперимента. Ну и можно попытаться их искать. Это тоже, как говорится, отдельный разговор — попытаться найти эти сущности.
Инфляция — очень красивая в этом отношении теория, она автоматически дает образование этих первичных неоднородностей, которые мы видим на фотографии. И более того, она дает их правильные свойства. Глядя на эту фотографию, мы можем многие свойства этих неоднородностей определить. Если правильно посмотреть на эту фотографию, мы сможем определить, какие были неоднородности, какие амплитуды были при большом размере, при меньшем размере и пр.
В свое время инфляционная теория сделала предсказание относительно того, как должна выглядеть эта фотография, когда этой фотографии еще не было. Она сделала предсказание, и предсказание оказалось прекрасно работающим. За исключением реликтовых гравитационных волн, которых пока не видно. Интересно будет узнать, кто поедет получать Нобелевскую премию, претендентов много.
Это все физика, очень сложная физика — есть теория, есть эксперимент, наблюдения. Мы перемещаемся на мельчайшие доли секунды с момента образования Вселенной или с момента ее перехода со сжатия на расширение. Сам факт, что мы туда способны заглянуть, — это уже фантастика! А мы способны заглянуть, разглядывая большие основные ее свойства на огромных расстояниях. Мы делаем предсказания. Это долгая история, конечно, много теоретических карандашей надо сломать, но мы делаем предсказания и начинаем их проверять на наблюдениях. Как только какие-то предсказания не будут согласовываться с наблюдениями, нам надо будет наши теоретические представления о физике менять.
Если и правда была инфляционная стадия, то инфляция, наверное, произошла от флуктуации, которую мы даже не умеем описывать. Это, наверное, такая стадия или состояние пространства, времени, материи, которую в современных терминах невозможно описать. Что такое сингулярность? Сингулярность — это явно какая-то квантовая, сильно взаимодействующая система, в которой все представления о пространстве, времени, энергии должны быть другими... Она страшно далеко по энергетическим масштабам. Несмотря на все попытки даже теоретически представить себе, как все это происходило, мы до сих пор этого не умеем. Но я оптимист и надеюсь, что еще при моей жизни это открытие произойдет.
Полную версию интервью с ученым смотрите на нашем канале в программе Алексея Семихатова «Вопрос науки».
