Що таке теорія Великого відскоку

Намагаючись зрозуміти, яка природа Всесвіту, як він зародився і що його чекає в майбутньому, вчені часом будують незвичайні гіпотези і моделі, такі як, наприклад, теорія Великого відскоку.

Всесвіт почався з вибуху або з відскоку – або взагалі з чогось іншого? Питання про наші витоки – одні з найбільш «колючих» проблем у фізиці, у якій є лише кілька відповідей і безліч спекуляцій. Найбільш популярною і загальноприйнятою теорією на сьогодні вважається космічна інфляція, згідно з якою за кілька перших часток секунди після Великого вибуху весь простір-час пережив період неймовірно швидкого розширення. Однак є й інші конкуруючі ідеї. Наприклад, згідно з циклічною моделлю Всесвіту нашому простору-часу передував інший, який пережив період Великого стиснення і потім заново вибухнув – його ми сьогодні і можемо спостерігати. Крім того, є теорія Великого відскоку, що випливає з циклічної моделі.

У інфляційної моделі безліч шанувальників, так як швидке розширення, яке вона постулює, пояснює безліч властивостей Всесвіту – на зразок того, чому він виглядає відносно плоским (а не зігнутим, кажучи про великі масштаби) і рівномірний в усіх напрямках (всюди в просторі, в усіх напрямках речовини приблизно однаково). Обидві умови розвиваються, коли області простору, що опинилися далеко один від одного, спочатку розташовувалися дуже близько. Однак, схоже, останні версії теорії припускають – або навіть вимагають, – що інфляція створила не тільки наш Всесвіт, але нескінченний ландшафт всесвітів, на якому утворилися всі можливі типи всесвітів з усіма наборами фізичних законів і властивостей. Деяким вченим подобається таке припущення, так як воно може пояснити існування саме нашого Всесвіту з на перший погляд випадковими, але ідеально налаштованими умовами для існування життя. Якщо на такому ландшафті існують всі уявлені і неймовірні типи космосу, то немає нічого дивного, що серед них є і наш. У той же час інші фізики вважають ідею мультивсесвіту відразливою – частково через те, що, якщо теорія пророкує здійснення всіх можливих подій, вона не буде однозначно прогнозувати наш Всесвіт.

Теорії Великого відскоку також пророкують плоский і рівномірно наповнений простір завдяки згладжуванню впливів, які можуть відбуватися при його скороченні. Однак каменем спотикання ідеї відскоку довгий час вважався перехід від стиснення до розширення, для чого потрібно ненависна вченим ідея «сингулярності» – часу, коли Всесвіт був точкою з нескінченної щільністю, – яку багато хто вважає математично безглуздим припущенням, що вказує на те, що поїзд теорії зійшов з рейок. З недавніх пір фізики почали стверджувати, що вони знайшли рівняння відскоку, в якому немає сингулярностей. У 2016 році Ніл Турок і Штеффен Гілен опублікували свої розрахунки в журналі Physical Review Letters. Тоді Турок прокоментував цю роботу так:

«Ми виявили, що можемо точно описати квантову еволюцію Всесвіту, і з’ясували, що Всесвіт гладко переходить через сингулярність на іншу сторону. Ми на це сподівалися, але раніше таких результатів не отримували ».

Отже, багато хто вважає 2016 рік моментом народження Великого відскоку, хоча сама концепція сходить ще до робіт таких діячів науки, як, зокрема, Віллем де Сіттер і Георгій Гамов. Прорив в розробці теорії стався завдяки двом технікам, застосованим Турком і Гіленом. Перша полягала в використанні ще неповної теорії квантової космології – суміші квантової механіки і загальної теорії відносності – замість опису Всесвіту за допомогою класичної Загальної теорії. Друга техніка передбачала, що, коли простір був зовсім молодим, речовина поводилося як світло – в тому плані, що закони фізики, що описують його, не залежали від масштабів. Наприклад, світло діє однаково незалежно від його довжини хвилі. Однак фізика речовини зазвичай відрізняється в залежності від масштабів, про які йде мова. За сучасними моделям, приблизно перші 50 тисяч років Всесвіт був наповнена випромінюванням, а звичайної речовини, яка сьогодні спостерігається всюди в космосі, було небагато. Останні моделі Всесвіту, що утворилася в результаті Великого відскоку, вказують на те, вказують на те, що на ранніх етапах вона була безмасштабною.

Турок і Гілен виявили, що Всесвіт який скорочується при таких умовах ніколи не перейде в стан фактичної сингулярності. По суті, вона «тунелює» через цю точку, «перестрибуючи» з стану, що передував їй, в стан після неї. І хоча спочатку це може здатися вивертом, в квантовій механіці це доведений феномен (квантове тунелювання). Так як частки не існують в абсолютних станах, а швидше є хмари ймовірностей, є невелика, але реальна можливість, що вони «тунелюють» через фізичні перешкоди, щоб потрапити в недосяжні місця. Це як проходити через стіни, тільки на мікроскопічному рівні. Турок зазначає, що неточності простору, часу і речовини вказують на те, що не можна точно стверджувати, де Всесвіт знаходиться в конкретний момент, що і дозволяє їй проходити через сингулярність.

Разом з тим в 2016 році Пол Стейнхардт і Анна Іджас працювали над іншим способом математичної демонстрації можливості відскоку. Вони ввели в модель Всесвіту особливий вид поля, в якому стиснення може перейти в розширення, перш ніж простір стане досить малим, щоб перейти в стан сингулярності. У своєму дослідженні вони використовували класичну Загальну теорію відносності. Іншими словами, цією роботою вони показали, що відскік можливий не тільки з точки зору квантової механіки, але і з точки зору теорії відносності.

Як і інші гіпотези про походження і еволюцію Всесвіту, теорія Великого відскоку намагається виявити, чому Всесвіт саме такий, яким ми його спостерігаємо. Моделі, побудовані фізиками, відображають лише ідеалізовані, абсолютно гладкі всесвіти, в яких відсутні малі флуктуації щільності, що призводять до утворення зірок, галактик і реального простору. Так що вченим ще належить розвинути моделі Великого відскоку до більш складних систем.

Якщо Всесвіт вже одного разу «відскочив», то виникає логічне запитання: чи відбудеться це знову? Як би там не було, не всі теорії відскоку припускають, що цикл стиснень і розширень буде нескінченним, як стверджує циклічна модель Всесвіту. Наприклад, навіть якщо наш Всесвіт пройшов через такий відскок, поки немає ні натяку на те, що вона переходить до чергового стиснення. Більш того, спостереження показують, що темна енергія все більше розтягує простір, несучи галактики, які не пов’язані один з одним гравітаційно, далі і далі один від одного. Однозначної відповіді на питання про те, що нас чекає в майбутньому, у науки немає. Однак воно безпосередньо пов’язане з тим, як все почалося.