Big Bang, часть 1

Когда-то давно я писал небольшие посты на научные темы в свой блог в живом журнале. Почему бы не тряхнуть стариной? Больше всего мне блика тема космоса, так что не стану менять традиции. Наука не является темой какого-то моего глубокого эмоционального вовлечения, просто помогает отвлечься от мрачных мыслей.

Возможно, получится длинно, тогда разобью на части. Подумал, мне есть что сказать про теорию Большого Взрыва и про космологию вообще. У меня много вопросов, и им я уделю основное внимание. Вообще, если кто-то взялся бы написать книгу про эволюцию Вселенной, то он мог бы привести в начале книги массу интересного материала о космологических воззрениях людей с древних времен. И порассуждать на тему того, как модели, которые создавали люди в былые времена, могут пролить свет на те особенности человеческого мышления и мировосприятия, которые проявляются и в том, как мы сегодня понимаем фундаментальные космологические темы. Наверняка, такие книги есть.

Вообще, первое, с чего следует начать рассказ о теории Большого Взрыва, это разъяснение того, что само это название не совсем верно и может ввести в заблуждение. Во всяком случае, я так считаю. Проблема в том, что мы представляем себе, когда слышим слово «взрыв». В быту это некий физический или химический процесс, в процессе которого быстро выделяется очень много энергии, и частицы вещества, приобретшие эту энергию, с большой скоростью разлетаются в стороны. В случае Большого Взрыва ничто никуда не разлетается, самого пространства становится больше. Это очень грубо, но при желании вы можете представить себе сферу постоянного радиуса, внутри которой становится больше пространства, как в Тардис. Наблюдатель с поверхности объектов внутри этой сферы будет наблюдать это так, словно бы все другие объекты разлетаются от него и друг от друга. В действительности эта аналогия не очень прокатит, потому что вне Вселенной нет ни пространства, ни времени. И даже если принять во внимание то, что на заре своего существования Вселенная была очень плотной и горячей, взрывом это назвать трудно, поскольку взрываться некуда.

Здесь у меня первый вопрос, который начал задавать еще в детстве. Есть ли у Вселенной край и что за ним? Вернее, вопрос можно сформулировать иначе. Представим себе самую крайнюю галактику. Из этой галактики вылетает ракета с астронавтом и летит в сторону, противоположную от вещества Вселенной. И вот летит, и летит, и летит. Что будет с ракетой? Она будет лететь бесконечно дальше? Или в какой-то момент просто перестанет удаляться от своей галактики из-за расширения пространства? А если это звездолет капитана Кирка, который может лететь намного быстрее света? Все то же самое? Или края Вселенной нет, она замкнута сама на себя подобно поверхности сферы, и Кирк просто облетит Вселенную «по кругу» и вернется туда же, откуда вылетел? Судя по всему, ответов на эти вопросы нет. Вернее, их несколько, и пока нельзя уверенно говорить об истинности любого из них. Мне больше всего нравится идея замкнутости Вселенной. Но, возможно, конец Вселенной это конец нашего воображения. Вопрос о том, что на краю Вселенной… просто не имеет смысла? Для того, чтобы понять, что такое край Вселенной и существует ли он вообще, и в каком смысле он существует, нужно понять, что есть Вселенная в контексте большем, чем она сама. Что есть край Вселенной не только в пространстве, но и во времени? Что есть край пространства-времени?

Тут мы подбираемся к фундаментальным теоретическим вопросам. Модель теории Большого Взрыва подразумевает некоторый момент времени, с которого можно уже о чем-то рассуждать. Этот момент называется окончанием Планковской эпохи, начинается он что-то около в десять в минус сорок третьей степени с «момента» запуска механизма рождения Вселенной. О событиях раньше этого гипотетического момента теоретическая физика ничего толком сказать не может. Да и в принципе, у меня есть вопрос о том, как физики вообще считают расстояния и промежутки времени. Как известно, пространство-время, во-первых, искривляется в гравитационном поле… Да, это, конечно, только с точки зрения ОТО, но тем не менее. В массивном гравитационном поле время течет медленнее, а луч света идет отнюдь не по прямой (с точки зрения стороннего наблюдателя) линии. Что же такое пространство-время, когда такая плотность материи и энергии? В книгах я читаю что-то такое: в такой-то момент Вселенная была размером меньше атома. Это размер относительно чего? Во-вторых, собственно пространство-время на малых масштабах неоднородно. Можем ли мы рассматривать пространство-время в эту эпоху так же, как в наших «обычных» условиях?. Возможно, астрофизик бы мог ответить на эти вопросы, но пока примем описания из книг как есть. Диаметр атома или мяч для гольфа и десять в минус фиг знает сколько секунды — ок.

Так вот, предполагается, что через ужасно маленькую долю секунды после конца Планковской эпохи Вселенная перенесла нечто странное. Это называется космической инфляцией. Из очень маленькой и очень плотной Вселенная стала расширяться экспоненциально. Это ну очень быстро. Неописуемо быстро. Длилось это всего десять в минус тридцать второй секунды. Когда инфляция закончилась, Вселенная представляла собой непрозрачный для света суп из фундаментальных частиц (кварков) и взаимодействий. Подобно пару, который, остывая, конденсируется в капли, этот суп стал конденсироваться в боле крупные частицы, типа протонов. Вопросы барионной асимметрии и разделения сил пока оставим. К трем минутам после Начала уже появились атомы некоторых элементов. Тяжелый водород, изотопы разные. Все это время и еще довольно долго Вселенная была совершенна непрозрачна. То есть свет, излученный атомом, тут же поглощался соседним. Тут можно было бы вставить глубокомысленный рассказ о том, откуда взялись крупномасштабные флуктуации в рисунке распределения вещества в ранней Вселенной, если из-за непрозрачности одна часть Вселенной ничего не могла «знать» о происходящем в другой ее части. Это одна из главных загадок космологии. Но эту тему я сам плохо знаю. Только через 380 тысяч лет Вселенная остыла и расширилась настолько, что свет смог свободно путешествовать в пространстве. И именно благодаря этому свету мы можем строить теории о столь ранних периодах существования Вселенной. Вселенная оставила нам фотографию своей бурной молодости. И об этом я, наверное, повествую в другой раз.