30.11.2010 12:00 (Обновлено: 10.11.2019 17:39)

Ученые заглянули во Вселенную до Большого взрыва

Большинство космологов уверены в том, что начало существованию нашей Вселенной положил Большой взрыв. При этом многие сторонники данной концепции считают вопрос о том, что было до Большого взрыва, некорректным, поскольку полагают, что само пространство и время родились в результате данного события, которое произошло 13,7 млрд лет назад. Однако не все ученые согласны с этим утверждением.

Альтернативный взгляд исповедует известный популяризатор науки физик-теоретик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз (Roger Penrose), автор научно-популярного бестселлера "Новый ум короля". Недавно вместе с армянским ученым Вахе Гурзадяном из Ереванского физического института он выложил на сайт бесплатных препринтов arXiv. org статью, рассказывающую об обнаружении в микроволновом фоне следов событий до Большого взрыва. Это значит, что время все-таки не имеет какого-то определенного начала, и говорить о событиях, предшествующих рождению Вселенной, вовсе не бессмысленно.

Речь идет о реликтовом излучении, которое пронизывает всю современную Вселенную и при этом несет своего рода "слепок" нашего мира, каким он был спустя 300—400 тысяч лет после рождения. Изначально Вселенная представляла собой горячую плазму, в которой фотоны непрерывно переизлучались и находилось в состоянии теплового равновесия с веществом. Спектр этого излучения соответствовал спектру абсолютно черного тела, а мир был совершенно непрозрачен.

По мере расширения Вселенной космологическое красное смещение вызвало остывание плазмы, в конце концов при температуре порядка 3000 кельвинов появились нейтральные атомы — произошла так называемая рекомбинация. Этот момент и запечатлен навсегда в реликтовом излучении. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. В результате дальнейшего расширения Вселенной температура излучения постепенно снизилась и сейчас составляет всего 2,725 К.

Фото: AP

Существование этого реликтового излучения было предсказано в 1948 году Георгием Гамовым, а экспериментально подтверждено в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Вудроу Вильсоном из Bell Telephone Laboratories. Оно обладает очень высокой степенью изотропности (изотропия — это одинаковость физических свойств среды по всем направлениям, в противоположность анизотропии), однако в начале 1990-х годов российские и американские ученые сумели все-таки обнаружить его небольшую анизотропию (правда, на уровне тысячных долей процента). За открытие космического микроволнового фонового излучения была вручена Нобелевская премия по физике в 1978 году, и еще одна (в 2006-м) вручена за обнаружение его анизотропии.

Карты мельчайших температурных колебаний микроволнового фона обладают большой научной ценностью, ведь они отражают древнейшее из всех доступных непосредственному изучению состояние этого мира и представляют собой зародыши крупномасштабных структур, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной сегодня. В принципе, то, что эти температурные колебания носят случайный (Гауссовый) характер и очень малы, должно свидетельствовать в пользу доминирующих сейчас теорий инфляционного раздувания Вселенной, в ходе которого в первые доли секунды после Большого взрыва степенной закон расширения меняют на экспоненциальный, чем достигается согласование физических условий в разных частях молодой Вселенной.

Роджер Пенроуз выступал противником модели космической инфляции, считая, что подобные решения — это лишь "заметание сора под ковер". Теперь Пенроуз с Гурзадяном заявили об обнаружении на картах микроволнового фона правильных структур в виде концентрических кругов (в которых диапазон температур заметно меньше, чем в других местах), свидетельствующих о том, что анизотропия реликтового излучения не носит абсолютно случайный характер.

В ходе этого исследования использовались подробные карты реликтового излучения, полученные за семь лет космическим зондом NASA WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и в ходе экспериментов BOOMERanG по запуску аэростатов с соответствующей аппаратурой в Антарктиде. Ученые считают, что эти круги связаны с крупномасштабными катастрофами — результатами слияний сверхмассивных черных дыр, которые, падая друг на друга по спирали, теряли энергию путем испускания гравитационных волн. Причем некоторые из кругов, согласно расчетам, связаны с событиями, которые должны были произойти до момента Большого взрыва (момент, который прежде интерпретировался как быстрое расширение из сингулярности, то есть точки с бесконечной плотностью).

Все это, впрочем, не означает, что Большого взрыва не было вовсе. Скорее всего, нужно говорить о том, что подобные взрывы случались многократно. Пенроуз и Гурзадян являются сторонниками теории циклической Вселенной, в которой один эон сменяется другим, проходя через "триггеры" больших взрывов, которые разделяют разные эоны. Эти процессы могут повторяться бесконечно. Выявленное слияние черных дыр, вероятно, произошло на самых последних стадиях предыдущего эона, который после Большого взрыва сменился уже нашим, в котором мы сейчас все и живем.

Фото: AP

Интерес Пенроуза к циклическим моделям в космологии (в оригинале речь о conformal cyclic cosmology — CCC) связан с тем, что инфляционные теории, получившие признание среди современных космологов, по его мнению, не способны объяснить, почему в начале существования Вселенной был столь низок уровень энтропии. Низкий уровень энтропии (а иначе говоря, высокая степень упорядоченности разных частей Вселенной, не способных в ходе обычного расширения обмениваться сигналами и "согласовывать" свои физические параметры) имеет ключевое значение для выбора работоспособной теории.

Идея циклов предполагает существование до Большого взрыва иной вселенной, которая когда-то расширялась точно так же, как и наша, и в процессе этого расширения прошла через стадии образования черных дыр и их тотального "испарения" в "конце времен" (путем хокинговского излучения), в результате чего уничтожалась вся погребенная в них когда-либо информация. "Перемалывание" этой информации означало исчезновение, удаление энтропии из вселенной, после которого и было положено начало новому эону с изначально очень низким уровнем энтропии. (Здесь нужно заметить, что многие физики, в том числе и ближайший коллега Пенроуза Стивен Хокинг, не допускают теперь полного уничтожения информации в черных дырах — так называемого информационного парадокса, современные теории позволяют этого избегать.)

Сама по себе идея вселенских циклов возникла, конечно, не впервые. В XX веке модель пульсирующей Вселенной, где этап расширения неизбежно сменялся этапом сжатия в одну сингулярность, предшествующую новому взрыву, рассматривалась на равных с моделями бесконечно расширяющейся Вселенной (которые в конце концов победили благодаря открытию "расталкивающей" пространство темной энергии).

Высказывались и другие интересные идеи, связанные, например, с моделями "ветвящихся" вселенных, вырастающих друг из друга подобно выдуваемым мыльным пузырям (интересующихся отсылаем к работам наших бывших соотечественников Андрея Линде из Стэнфордского университета и Александра Виленкина, директора Института космологии в Университете Тафтса (Бостон, штат Массачусетс)). Они также позволяют вполне корректно рассуждать о временах, предшествовавших Большому взрыву. Все эти теории существуют пока на равных — имеющихся астрофизических данных недостаточно для того, чтобы однозначно разрешить спор в пользу какой-либо одной из них, время от времени лишь отсеиваются самые экзотичные и противоречивые гипотезы.

Читайте также: Ученым удалось потрогать частицу бога

Разумеется, потенциально значение факта обнаружения "космических кругов" для космологии чрезвычайно велико (если они действительно обнаружены), и ученые планируют провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить или опровергнуть их существование и посмотреть, какие еще модели способны объяснить появление подобных "артефактов". Ведь даже если круги на карте микроволнового фона действительно докажут существование эпохи, предшествующей Большому взрыву, циклическая космология "самоочевидной" еще не станет. Необходимо будет описать будущие превращения частиц во Вселенной и ответить на вопрос, каким образом она может сменится новой эпохой.

Сомнительно и одно из центральных мест в теории Пенроуза — утверждение, что все частицы в очень отдаленном будущем во Вселенной станут безмассовыми. Нет, например, никаких указаний на то, что все электроны должны распасться. В общем, в любом случае эта теория носит пока еще очень спорный и спекулятивный характер.