|
Что, если Большой взрыв не был началом
|
|
|
|
Большой взрыв часто описывают как взрывное рождение Вселенной — особый момент, когда пространство, время и материя возникли сами по себе. Но что, если это вовсе не было началом? Что, если бы наша вселенная возникла из чего—то другого - чего-то более знакомого и в то же время радикального?
|
|
|
|
В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review D, мы с коллегами предлагаем поразительную альтернативу. Наши расчеты показывают, что Большой взрыв был не началом всего сущего, а скорее результатом гравитационного сжатия, в результате которого образовалась очень массивная черная дыра, за которой последовал отскок внутри нее.
|
|
|
|
Эта идея, которую мы называем вселенной черных дыр, предлагает радикально иной взгляд на происхождение космоса, однако она полностью основана на известной физике и наблюдениях.
|
|
|
|
Сегодняшняя стандартная космологическая модель, основанная на Большом взрыве и космической инфляции (идее о том, что ранняя Вселенная быстро увеличилась в размерах), оказалась удивительно успешной в объяснении структуры и эволюции Вселенной. Но за это приходится платить: некоторые из самых фундаментальных вопросов остаются без ответа.
|
|
|
|
Во—первых, модель Большого взрыва начинается с сингулярности - точки с бесконечной плотностью, где законы физики нарушаются. Это не просто технический сбой; это глубокая теоретическая проблема, которая предполагает, что мы на самом деле вообще не понимаем начала.
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, физики описали короткую фазу быстрого расширения ранней Вселенной, названную космической инфляцией, которая была вызвана неизвестным полем со странными свойствами. Позже, чтобы объяснить ускоряющееся расширение, наблюдаемое сегодня, они добавили еще один "таинственный" компонент: темную энергию.
|
|
|
|
Короче говоря, стандартная космологическая модель работает хорошо, но только за счет введения новых компонентов, которые мы никогда не наблюдали непосредственно. Между тем, самые основные вопросы остаются открытыми: откуда все взялось? Почему все началось именно так? И почему Вселенная такая плоская, гладкая и большая?
|
|
Новая модель
|
|
|
|
Наша новая модель рассматривает эти вопросы под другим углом — заглядывая внутрь, а не вовне. Вместо того, чтобы начинать с расширяющейся Вселенной и пытаться проследить, как она возникла, мы рассматриваем, что происходит, когда слишком плотное скопление материи разрушается под действием силы тяжести.
|
|
|
|
Это знакомый процесс: звезды коллапсируют в черные дыры, которые являются одними из наиболее хорошо изученных объектов в физике. Но что происходит внутри черной дыры, за горизонтом событий, из которого ничто не может вырваться, остается загадкой.
|
|
|
|
В 1965 году британский физик Роджер Пенроуз доказал, что при самых общих условиях гравитационный коллапс должен приводить к сингулярности. Этот результат, расширенный покойным британским физиком Стивеном Хокингом и другими учеными, лежит в основе идеи о том, что сингулярности, подобные той, что была в момент Большого взрыва, неизбежны.
|
|
|
|
Эта идея помогла Пенроузу получить часть Нобелевской премии по физике за 2020 год и вдохновила Хокинга на написание мирового бестселлера "Краткая история времени: от большого взрыва до черных дыр". Но есть один нюанс. Эти "теоремы о сингулярности" основаны на "классической физике", которая описывает обычные макроскопические объекты. Если мы примем во внимание эффекты квантовой механики, которая управляет крошечным микрокосмосом атомов и частиц, как это необходимо при экстремальных плотностях, ситуация может измениться.
|
|
|
|
В нашей новой статье мы показываем, что гравитационный коллапс не обязательно должен заканчиваться сингулярностью. Мы нашли точное аналитическое решение — математический результат без каких-либо приближений. Наши математические расчеты показывают, что по мере приближения к потенциальной сингулярности размер Вселенной изменяется как (гиперболическая) функция космического времени.
|
|
|
|
Это простое математическое решение описывает, как коллапсирующее облако материи может достичь состояния высокой плотности, а затем отскочить в сторону, перейдя в новую фазу расширения.
|
|
|
|
Но почему теоремы Пенроуза запрещают такие результаты? Все сводится к правилу, называемому принципом квантового исключения, которое гласит, что никакие две идентичные частицы, известные как фермионы, не могут занимать одинаковое квантовое состояние (например, момент импульса или "спин").
|
|
|
|
И мы показываем, что это правило предотвращает бесконечное сжатие частиц в коллапсирующем веществе. В результате коллапс прекращается и происходит обратный процесс. Отскок не только возможен, но и неизбежен при определенных условиях.
|
|
|
|
Важно отметить, что этот скачок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применяется в больших масштабах, таких как звезды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики — никаких экзотических полей, дополнительных измерений или спекулятивной физики не требуется.
|
|
|
|
По другую сторону отскока возникает вселенная, удивительно похожая на нашу собственную. Что еще более удивительно, отскок естественным образом приводит к двум отдельным фазам ускоренного расширения — инфляции и темной энергии, которые обусловлены не гипотетическими полями, а физикой самого отскока.
|
|
Предсказания, которые можно проверить
|
|
|
|
Одной из сильных сторон этой модели является то, что она позволяет делать проверяемые прогнозы. Она предсказывает небольшую, но ненулевую величину положительной пространственной кривизны - это означает, что Вселенная не совсем плоская, а слегка изогнута, как поверхность Земли.
|
|
|
|
Это просто пережиток первоначальной небольшой избыточной плотности, которая спровоцировала коллапс. Если будущие наблюдения, такие как продолжающаяся миссия Euclid, подтвердят небольшую положительную кривизну, это будет убедительным свидетельством того, что наша Вселенная действительно возникла в результате такого скачка. Он также дает прогнозы относительно текущей скорости расширения Вселенной, что уже было подтверждено.
|
|
|
|
Эта модель не просто устраняет технические проблемы стандартной космологии. Она также может пролить новый свет на другие глубокие тайны в нашем понимании ранней Вселенной, такие как происхождение сверхмассивных черных дыр, природа темной материи или иерархическое формирование и эволюция галактик.
|
|
|
|
Эти вопросы будут изучены будущими космическими миссиями, такими как Arrakhis, которые будут изучать рассеянные объекты, такие как звездные гало (сферическая структура звезд и шаровых скоплений, окружающих галактики) и галактики-спутники (меньшие галактики, вращающиеся вокруг более крупных), которые трудно обнаружить с помощью традиционных телескопов с Земли, и которые помогут нам понять, что происходит. темная материя и эволюция галактик.
|
|
|
|
Эти явления также могут быть связаны с реликтовыми компактными объектами, такими как черные дыры, которые образовались во время фазы коллапса и пережили отскок.
|
|
|
|
Вселенная черных дыр также предлагает новый взгляд на наше место в космосе. С этой точки зрения, вся наша наблюдаемая вселенная находится внутри черной дыры, образовавшейся в некой более крупной "родительской" вселенной.
|
|
|
|
Мы не такие особенные, как Земля в геоцентрическом мировоззрении, которое привело к тому, что Галилей (астроном, предположивший, что Земля вращается вокруг Солнца в 16-17 веках) был помещен под домашний арест.
|
|
|
|
Мы наблюдаем не рождение всего из ничего, а скорее продолжение космического цикла, сформированного гравитацией, квантовой механикой и глубокими взаимосвязями между ними.
|
|
|
|
Источник
|
