Можливо, "Великий вибух" - найбільш невдалий термін у всій фізиці. Ще більш невдалий, ніж "частинка Бога".
Термін, утім, непогано продається, хоча і вводить в оману. Причому він звучить двозначно як з наукової, так і релігійної точок зору. Не кажучи вже про те, що спочатку його придумали для висміювання ортодоксальної гіпотези походження Всесвіту.
Ми не визначатимемо, що таке Великий Вибух: різночитань настільки багато, що на це питання неможливо відповісти.
Ба більше, у космології існує глибша фундаментальна проблема. У нас немає ні фізики, ні матемтики, ні іншого інструментарію для вивчення найбільш ранніх моментів в історії космосу.
Ми можемо безпосередньо спостерігати за епохою рекомбінації, коли непрозора плазма раннього Всесвіту очистилася і перетворилася на прозорий газ. Післясвітіння цієї плазми ми бачимо у вигляді космічного мікрохвильового фону. Астрономічні спостереження повертають нас до того часу, коли вік Всесвіту становив близько 380 000 років.
І тільки таким чином ми можемо зробити непрямі висновки про більш ранню епоху. І спробувати розрахувати фізичні умови раннього універсуму, а також теоретично передбачити (кажучи про споконвічно минуле), що могло статися до цього.
Сингулярність у космології Великого вибуху
Ми здатні перевірити якусь модель, використовуючи колайдер частинок. І схоластично відтворити той час, коли вік Всесвіту становив близько мільярдної частки секунди.
Також теоретично ми можемо передбачити, що сталося ще раніше. Однак ми не можемо перевірити висунуту гіпотезу - у нас немає достатньо потужних колайдерів частинок. Але ці передбачення повертають нас до проміжку часу, коли вік Всесвіту становив трильйонну частку трильйонної частки секунди.
Усе, колапс фізичної науки. Точніше, якщо ми використовуємо тільки загальну теорію відносності, ми досягаємо точки, де всі відстані стають нульовими, а температура і щільність невимірні за визначенням.
Самі точки отримали назву "сингулярності", і та, що використовується в космології Великого вибуху, не єдина з відомих.
Сингулярність "присутня" в чорних дірах, у класичному випромінюванні чорних тіл. Навіть полюси на Землі є сингулярностями, бо довгота перестає мати географічний сенс, система координат руйнується.
Щось подібне відбувається в космології Великого вибуху: система координат простору-часу безглузда, тому що її немає.
Але ми описали тільки половину проблеми. Перш ніж ми дістанемося до сингулярності, умови стають настільки екстремальними, що нам доводиться об'єднувати фундаментальну силу гравітації з трьома іншими фундаментальними силами - електромагнетизмом, слабкими та сильними ядерними силами.
Але... ми не знаємо, як це зробити. Нам потрібно об'єднати ЗТВ, яка описує гравітацію, з квантовою фізикою, що відповідає за три інші сили. Теорія Всього не виникає за помахом чарівної палички.
Деякі фізики покладають більші надії на квантову гравітацію, але у нас немає такої теорії. Можливо, нам доведеться довести суперсиметрію, але й це поки що нам не під силу.
Сингулярність у чорних дірах
Ми не можемо описати, що відбувається в першу трильйонну частку трильйонної частки секунди: звідки взялася енергія? що сталося в сингулярності? чи справді перша трильйонна частка трильйонної частки секунди тривала трильйонну частку трильйонної частки секунди? чи є енергія проблемою з огляду на невизначені результати в розрахунках?
Однак це не заважає нам будувати здогадки і міркувати на тему Великого вибуху. Ось деякі з найбільш кумедних припущень
Попередники чорних дір
Сингулярності в чорних дірах - передбачені загальною теорією відносності - мають цікаву схожість із сингулярностями в космології Великого вибуху.
Зокрема, якщо екстраполювати від горизонту подій чорної діри до сингулярності, то математика по той бік сингулярності чорної діри дуже схожа на математику по цей бік сингулярності Великого вибуху.
Тому може виявитися так, що коли зірка колапсує в чорну діру, вона породжує новий всесвіт. Тобто енергія нового всесвіту береться з попереднього всесвіту. Хоча насправді вони не зобов'язані збігатися, бо ми проходимо сингулярність із невизначеними результатами.
Звідси виникають аргументи на користь тонкого налаштування: у міру виникнення нових всесвітів ті, в яких природні закони допускають появу чорних дір, породжують більше всесвітів, ніж ті, де природні закони не означають появи великої кількості чорних дір.
Таким чином виникає N-вимірна кількість всесвітів, здатних створювати чорні діри. Всесвіт, який продукує чорні діри, також гарний у зореутворенні, а зірки необхідні для переплавлення матерії у важчі елементи, планетарні системи тощо.
Конформна циклічна космологія
Циклічна космологія - це космологія, у якій Всесвіт час від часу перезапускається.
Приблизно до 2000-х років такою космологією була теорія Великого вибуху: ідея полягала в тому, що врешті-решт гравітація сповільнить розширення і, можливо, поверне його назад, поки все не перезапустить космос, а далі знову по колу.
Однак наприкінці 1990-х років астрономи помітили, що швидкість розширення прискорюється. А це означає, що Великий вибух має бути відправлений на смітник. Чого не сталося - відмовитися від помилкової теорії неможливо, бо наука не помиляється.
Чарівником виступив Роджер Пенроуз, який запропонував циклічну космологію, що відповідає фізичним вимогам нового відкриття.
Космологія Пенроуза залежить від двох речей: розпад протонів (ми не змогли це довести) і випромінювання Гокінга (довели, але не зовсім). Перше означає, що матерія зрештою розпадається на фотони, а друге - чорні діри випаровуються.
Таким чином, коли останній протон трансформується у фотон або коли випарується остання чорна діра, залишиться холодний темний порожній всесвіт, заповнений фотонами з червоним зсувом, що йдуть у нікуди зі швидкістю світла.
І ось що цікаво: з точки зору системи відліку фотонів, немає ні часу, ні відстані. А якщо не існує жодної іншої системи відліку, крім руху фотонів, у нас з'являється вселення, яке перебуває скрізь в один і той самий час. Сингулярність Великого вибуху.
Якщо це так, то енергія нового всесвіту походить із попереднього всесвіту.
Всесвіт із нульовою енергією
Дві попередні гіпотези побудовані на ідеї нескінченного регресу. Але є варіант існування чистої нульової енергії.
У рамках цієї гіпотези гравітаційний потенціал розглядається як негативна енергія. Яка тотожна матеріальній енергії.
Цікаво, що енергія над гравітаційним потенціалом являє собою параметр щільності енергії Ω, який впливає на кривизну простору-часу. Якщо цей параметр дорівнює 1, то всесвіт - плоский геометрично і без кривизни. Він також буде нескінченним. Якщо більше 1, то універсум замкнутий, викривляється сам по собі. Він має природні межі. Якщо Ω менше 1, то він являє собою геометрично відкриту мегасистему, яка буде вигинатися із самої себе в нескінченність.
На даний момент ми отримали Ω, що дорівнює 1,02±0,02. Це дуже близько до 1 - у межах похибки. Іншими словами, Всесвіт або нескінченний і не має викривленої геометрії, або він викривлений сам по собі, але настільки великий, що здається нескінченним. Мінімальний розмір Всесвіту, враховуючи це значення, у 20 разів перевищує ширину спостережуваного космосу і, ймовірно, набагато більший.
Але щоб енергія перевищувала гравітаційний потенціал на 1, це означає, що енергія повинна анулювати гравітаційний потенціал. За такого сценарію Всесвіт має нульову енергію, і не має особливих проблем ні з нескінченним регресом, ні з тим, звідки взялася енергія.
Тобто Всесвіт можна створити з нічого. Мало того, в якомусь сенсі це все одно буде Ніщо, тільки дуже нерівномірно розподілене.
І останнє
Хоча наведені вище три гіпотези не порушують фізику, ми не можемо їх перевірити. Є багато інших припущень, які також не порушують фізику, але ми теж не в змозі їх перевірити.
Але вони всі впираються в мотиви збереження енергії. Хоча ми навіть не знаємо, чи зберігається енергія в сингулярності Великого вибуху.
