Что стало причиной Большого Взрыва?

С момента появления этой идеи, теория Большого Взрыва пережила десятилетия борьбы среди учёных, 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 путёвку 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, однако далеко в небесах всё относительно неизменно. Звёзды 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 учёный внутри вас ещё не погиб, как только вы дойдёте 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, тёмная материя, хрящиков, фотонов, чёртовых колёс, нейтрино и так далее. Всё 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 тёмной энергией (чем бы она ни была), и её 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 тёмную энергию, которая была скорее фоновым занавесом, нежели двигателем современности.

(Заметка на полях: перехват инициативы тёмной энергией произошёл 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 тёмной 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 узнаём Вселенную — она ещё страннее плазменной. Вернитесь назад во времени — и обнаружите, что не могут образовываться стабильные ядра. Ещё дальше — протоны и нейтроны не могут выдержать давление и вырождаются в свои компоненты: кварки и глюоны. А дальше всё сложно.

Теорию Большого Взрыва можно резюмировать так: однажды вся Вселенная — всё, 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 ещё и сказали о таком пару сотен лет назад… Вас бы сожгли на костре, причём не церковь, а сами учёные. 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 её 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 чётче становится наша картинка, но страшно даже осознавать, что наши бедные обезьяньи мозги постигли настолько юную эпоху Вселенной.

Что касается ещё 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 всё, что было после этого, но до — непонятно. На достаточно малых масштабах мы даже не знаем, имело ли смысл слово «до». На невероятно крошечных масштабах (ещё 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 всё, что мы можем сказать на тему того, что было до Большого Взрыва.