Что было до большого взрыва: время, которое идет вспять и зеркальная Вселенная

Что было до Большого Взрыва? / Хабр

Кратко: мы не знаем. Но так как этого количества печатных знаков слишком мало для статьи, то я хотел осуществить, так сказать, инвентаризацию возможных решений проблемы.

А в чем, собственно, проблема состоит? Теория Большого Взрыва — это не теория о Большом Взрыве, а о том, что было после него. Сам Большой Взрыв математически выглядит как математическая сингулярность, а это плохо — физики очень не любят бесконечности. Поэтому забота всех теорий о Большом Взрыве — от этих бесконечностей избавиться.

Гладкое начало

Disclaimer: извините за картинки в mspaint, я в эвакуации и планшета у меня нет.

В подобных теориях вместо сингулярной ‘вершины’ мы имеем закругление. Как правило, в нем вселенная представляет собой сверхплотный вакуум, который позже будет расширяться (то есть эпоха до инфляции).

Интересной особенностью этих теорий является следующее: кажется, что мы можем точно указать момент и место Большого Взрыва (отмечено зеленой стрелкой). Но это не так: пространство Римановское, и воображаемые наблюдатели, находящиеся в разных системах отсчета будут иметь разные линии ‘сейчас’ (показано красным и синим), то есть для них как время начала Большого Взрыва, так и место его будет иным.

Замечание о бесконечности Вселенной

Вам может показаться, что когда вселенная возникает из области ограниченного размера, то, хотя она всегда и расширяется, она остается конечной. Это не так. Давайте рассмотрим расширение пузыря ложного, сверхплотного вакуума и превращение его в обычный:

Ложный вакуум начинает распадаться по центру картинки, и это явление распространяется в стороны быстрее света (оно не связано каузально, просто в других местах этот процесс немного отстает). Дальше у нас идут эпохи развития вселенной (масштаб неправильный), которые, из-за того что наш вакуум образовался в разное время, искривлены, так как несут память о начальном отставании. Любая горизонтальная прямая (срез) вселенной на определенный момент «времени» покажет, что вселенная конечна и немного неоднородна — есть центр, наиболее старый, и «края», которые продолжают расширяться.

Но как это воспримет наблюдатель внутри вселенной (frog’s view в терминологии Макса Тегмарка?)

В пространстве не развешаны часы, показывающие время, поэтому внутренний наблюдатель делает свои выводы по состоянию материи — насколько далеко прошла она от распада ложного вакуума. Изгиб начального пузыря очень мал и не наблюдаем. Поэтому кривые для внутреннего наблюдателя становятся прямыми, а Вселенная — бесконечной

То есть бесконечно расширяющееся конечная Вселенная предстает для внутреннего наблюдателя бесконечной. Происходит ре-интерпертация бесконечного времени (где происходит расширение) в бесконечность пространства.

Зеркальная Вселенная

Недавно вышла статья про это. Картинка хорошо это иллюстрирует:

Так как энтропия в момент Большого Взрыва минимальна, а наблюдатель внутри вселенной всегда воспринимает время, как идущее в сторону увеличения энтропии, время идет в сторону от Большого взрыва (хотя в координатах ‘bird’s view’, в разные стороны)

Четная Вселенная

Это моя идея. Во всяком случае, ее не раскритиковали на PhysicsForums. Идея похожа на предыдущую, но рассматривается в рамках MWI — многомировой интерпретации квантовой физики. В этой интерпретации универсальная волновая функция U(t) содержит все возможные ветви развития событий и детерминирована. А значит, в примере выше U(t) = U(-t), то есть это просто четная функция.

Но если правая и левые части тождественно одинаковы, то можем ли мы считать эти вселенные разными? Нет, это одно и тоже. То есть мы взяли лист, где нарисованы правая и левая часть, перегнули его в t=0 и сложили пополам.

Как и с зеркальной вселенной, в районе t=0 время никуда не направлено, никуда не идет.

Туннелирование из ничего

Оказывается, ложный, сверхплотный вакуум, который, как мы знаем, склонен к инфляции — расширению с чудовищной скоростью, может быть стабилен, если ‘капля’ такого вакуума меньше некоего критического размера Rcrit — эту каплю стабилизирует аналог поверхностного натяжения.

Однако, абсолютно стабильной такая капля быть не может — она может спонтанно туннелировать в состояние с R > Rcrit:

Как всегда, вероятность туннелирования падает экспоненциально:

Конечно, вы спросите — а изначальная капля откуда взялась? Вот здесь самое элегантное. Обратите внимание, что при R=0 вероятность не обращается в ноль! То есть большая капля может туннелировать из … ничего!

Философское замечание N1: И да, получается что физические законы существуют ДО того, как что-то возникло. Чистый платонизм.

Философское замечание N2: В какой момент времени произошло туннелирование? Это бессмысленный вопрос, мы просто можем принять этот момент за t=0. Задание любого другого числа вместо 0 ни на что не повлияет, грубо говоря мы здесь имеем gauge invariance для времени.

Big Rip — reset

Извините, это еще одна моя идея. Рассматривается сценарий Big Rip — Большого Разрыва. Ускоренное расширение приводит к обязательному появлению космологических горизонтов — в частности, наш сейчас находится на расстоянии 46 миллиардов световых лет.

Любые горизонты излучают — вы наверное слышали о том, что черные дыры медленно испаряются через свои горизонты с помощью излучения Хокинга. Этот процесс очень медленный, но не потому, что излучение Хокинга плохо генерится — оно создается чудовищно интенсивно — просто оно в чудовищной же степени ослабляется гравитационным полем черной дыры. Для космологических горизонтов такой проблемы нет, но они очень далеко и излучение от них слабое.

Но в сценарии Big RIP горизонты приближаются — и ближе к концу они будут сколь угодно близко. Пространство заполняется излучением, которое повышает среднюю плотность. Я вынес эту мысль в PhysicsForums, сделав типичную вещь для crackpot, см. crackpot index, а именно номер 15:

15. 10 points for each statement along the lines of «I’m not good at math, but my theory is conceptually right, so all I need is for someone to express it in terms of equations».

Как ни странно, это прокатило, и народ быстро прикинул, что плотность излучения Хокинга растет так быстро, что остановит Big Rip! После этого мир будет снова горячей квагмой, как будто сразу после распада ложного вакуума.

Главной проблемой циклических вселенных является нарастание энтропии, но здесь этого нет — энтропия ‘размазывается’ по огромному объему. Примерно как инфляция пространства скрывает все, что было до нее: война инфляция все спишет.

Теперь я думаю о пунктах 21 и 25.

Eternal Inflation

Тема очень известная и есть много хороших источников. Добавлю: «пузыри» конечного размера, не означает, что получающиеся из них вселенных конечны. «Пространство», где это дерево растет, называется «Bulk».

Дарвинизм черных дыр

Идея Смолина. Если кратко, то внутри черной дыры нет сингулярности, а образуется новая вселенная, правда, недоступная извне. Впрочем, именно это предсказывает сестра Общей Теории Относительности — ОТО Эйнштейна — Картана.

Такая теория похожа на Eternal Inflation, но тут больше ‘детей’ у вселенных, где больше черных дыр, то есть, где есть звезды. Если параметры вселенных при их рождении могут варьироваться, то возможен аналог «естественного отбора».

Я что-то забыл?

Что было до Большого взрыва?

Согласно общепринятой теории Большого взрыва, Вселенная возникла из бесконечно плотного крошечного шара материи. Этот вселенский взрыв породил первые элементарные частицы, которые затем сформировали звезды и галактики. Но новые исследования в области теоретической физики недавно открыли возможное окно в очень раннюю Вселенную. По мнению теоретиков, она может быть не такой и «ранней».

Свежая гипотеза предполагает, что наша Вселенная находится в одной из итераций цикла «взрыв-отскок». Фото: Unsplash

Свежая гипотеза предполагает, что наша Вселенная находится на одной из итераций цикла «взрыв-отскок», который продолжается вечность. А возможно, это лишь первый ее цикл. Конечно, прежде чем физики решат отказаться от теории Большого взрыва в пользу цикла «взрыв-отскок», эти теоретические предсказания должны выдержать проверку наблюдательных тестов.

Отсутствующая часть головоломки

У ученых есть действительно хорошая картина очень ранней Вселенной, которую мы знаем как теорию Большого взрыва. В этой модели давным-давно Вселенная была намного меньше, намного горячее и намного плотнее, чем сегодня. В тот ранний период 13,8 млрд лет назад все элементы, которые делают нас такими, какие мы есть, сформировались примерно за несколько первых минут жизни Вселенной. И все это родилось из компактного шарика бесконечной плотности, размером с персик, и температурой более квадриллиона градусов.

Инфографика, показывающая эволюцию Вселенной от Большого взрыва. Фото: Astrosprint

Удивительно, но эта фантастическая история подтверждает все современные наблюдения. Астрономы сделали все, от наблюдения за остаточным электромагнитным излучением молодой Вселенной до измерения распространенности легчайших элементов. И обнаружили, что все они совпадают с предсказаниями Большого взрыва. Насколько мы можем судить, это точный портрет нашей ранней Вселенной. Но картина Большого взрыва неполная — отсутствует часть головоломки. И эта часть — самые ранние моменты самой Вселенной. Это довольно большой кусок.

Недостаток современной физики для познания Вселенной

Проблема в том, что физика, которую мы используем для понимания ранней Вселенной, это удивительно сложная мешанина из общей теории относительности и физики частиц высоких энергии. Но она может привести нас только до определенного предела, прежде чем рухнет. По мере того как мы пытаемся погружаться все глубже и глубже в первые мгновения нашего космоса, математика становится все сложнее и сложнее. Если попытаться ее решить, она становится все труднее, вплоть до того момента, когда просто… прекращается.

Главный признак того, что нам еще предстоит исследовать, — это наличие «сингулярности». Это точка бесконечной плотности в начале Большого взрыва. Если принять это за чистую монету, это говорит нам о том, что в какой-то момент Вселенная была втиснута в бесконечно маленькую, бесконечно плотную точку. Это очевидно абсурдно. На самом деле все говорит нам о том, что для решения этой проблемы нам нужна новая физика — наш текущий набор инструментов для познания Вселенной просто недостаточно хорош.

Чтобы спасти положение, нам нужна новая физика. Нечто, способное справиться с гравитацией и другими силами вместе взятыми при сверхвысоких энергиях. И это именно то, на что претендует теория струн — физическая модель, способная справиться с гравитацией и другими силами, вместе взятыми при сверхвысоких энергиях. Именно эта теория способна объяснить самые ранние моменты Вселенной.

Что такое экпиротический сценарий?

Одним из самых ранних понятий теории струн является «экпиротическая Вселенная», происходящая от греческого слова «пожар» или «огонь». В этом сценарии то, что мы знаем как Большой взрыв, было вызвано чем-то еще, что произошло до него — Большой взрыв был не началом, а частью более масштабного процесса.

Расширение экпиротической сценария привело к теории, опять же мотивированной теорией струн, называемой «циклической космологией». Удивительно, но идее о постоянно повторяющейся Вселенной тысячи лет, и она предшествует современной физике. Но теория струн дала этой идее твердое математическое обоснование. Циклическая Вселенная движется именно так, как вы можете себе представить: постоянно «прыгает» между Большими взрывами и Большими схлопываниями. Вероятно, это происходит вечно и одинаково, как в прошлом, так и в будущем.

Что было до Большого взрыва?

Ранние версии циклической модели с трудом совпадали с наблюдениями. Главным препятствием было согласование с нашими наблюдениями космического микроволнового фона — ископаемого света, оставшегося с того времени, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Ученым было трудно описать физику зарождающегося космоса — картина просто рушилась.

Реликтовое излучение. Фото: Wikipedia

Однако экпиротический факел продолжал гореть на протяжении многих лет. Статья, опубликованная в марте 2020 года, исследовала недостатки математики и раскрыла некоторые ранее упущенные возможности. Два физика из Университета Макгилла в Канаде и авторы исследования, Роберт Бранденбергер и Зивей Ванг, обнаружили, что момент «отскока», когда наша Вселенная сжимается до невероятно маленькой точки и возвращается в состояние Большого взрыва, можно описать математически так, чтобы получить правильный результат, проверенный наблюдением.

Таким образом, идея того, что до Большого взрыва был Большой «отскок», ставший результатом распада некоей «предыдущей» Вселенной, вполне имеет место быть. Но чтобы полностью проверить эту модель, нам придется дождаться нового поколения космологических экспериментов.

Напомним, что ранее мы объясняли, что такое световой год.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Что было до Большого Взрыва?

Художественная интерпретация Большого Взрыва.
(Изображение предоставлено: © Scott Wiessinger (USRA): Ведущий продюсер Аарон Э. Лепш (ADNET): Техническая поддержка Кристофер Ким (USRA): Ведущий аниматор)

В начале был бесконечно плотный крошечный шар материи. Затем все пошло наперекосяк, породив атомы, молекулы, звезды, галактики, которые мы видим сегодня.

По крайней мере, так нам твердили физики последние несколько десятилетий.

Но новые исследования в области теоретической физики недавно открыли возможное окно в очень раннюю вселенную , показав, что, в конце концов, она может быть не «очень ранней». Наоборот, это может быть просто последняя итерация цикла «взрыв-отскок», который продолжается… ну, по крайней мере, один раз, а возможно, и навсегда.

Конечно, прежде чем физики решат отказаться от Большого Взрыва в пользу цикла взрыв-отскок, эти теоретические предсказания должны выдержать натиск наблюдательных тестов.

Вселенная: от Большого взрыва до сегодняшнего дня: 10 простых шагов

У ученых есть очень хорошая картина ранней Вселенной, которую мы знаем и любим как теорию Большого взрыва. В этой модели давным-давно Вселенная была намного меньше, намного горячее и намного плотнее, чем сегодня. В том раннем аду 13,8 миллиарда лет назад все элементы, которые делают нас такими, какие мы есть, сформировались примерно за дюжину минут.

Еще раньше, по этому мнению, в какой-то момент вся наша Вселенная — все звезды, все галактики, все остальное — была размером с персик и имела температуру более квадриллиона градусов.

Удивительно, но эта фантастическая история подтверждает все современные наблюдения. Астрономы сделали все, от наблюдения оставшихся электромагнитных излучений от молодой Вселенной до измерения распространенности легчайших элементов и обнаружили, что все они совпадают с предсказаниями Большого Взрыва. Насколько мы можем судить, это точный портрет нашей ранней Вселенной.

Но как бы хорошо это ни было, мы знаем, что картина Большого Взрыва неполная — отсутствует часть головоломки, и эта часть — самые ранние моменты самой Вселенной.

Довольно большой кусок.

Что такое экпиротическая теория?

Проблема в том, что физика, которую мы используем для понимания ранней Вселенной (удивительно сложная смесь общей теории относительности и физики частиц высоких энергий) может привести нас только до определенного момента, прежде чем рухнет. По мере того, как мы пытаемся погружаться все глубже и глубже в первые мгновения нашего космоса, математика становится все труднее и труднее решать, вплоть до того момента, когда она просто… прекращается.

Главным признаком того, что нам предстоит исследовать местность, является наличие » сингулярность », или точка бесконечной плотности, в начале Большого Взрыва. Если принять это за чистую монету, это говорит нам о том, что в какой-то момент Вселенная была втиснута в бесконечно маленькую, бесконечно плотную точку. Это очевидно абсурдно. , и на самом деле это говорит нам о том, что для решения этой проблемы нам нужна новая физика — наш текущий набор инструментов просто недостаточно хорош

Чтобы спасти положение, нам нужна новая физика — что-то, что способно справиться с гравитацией и другие силы, вместе взятые, при сверхвысоких энергиях.И это именно то, что теория струн претендует на то, чтобы быть: моделью физики, которая способна обрабатывать гравитацию и другие силы вместе взятые при сверхвысоких энергиях. Это означает, что теория струн утверждает, что может объяснить самые ранние моменты Вселенной.

Одним из первых понятий теории струн является «экпиротическая» вселенная, происходящая от греческого слова «пожар» или «огонь». В этом сценарии то, что мы знаем как Большой взрыв, было вызвано чем-то еще, что произошло до него — Большой взрыв был не началом, а частью более крупного процесса.

Расширение экпиротической концепции привело к теории, опять же мотивированной теорией струн, называемой циклической космологией. Я предполагаю, что с технической точки зрения идее о постоянно повторяющейся Вселенной тысячи лет, и она предшествует физике, но теория струн дала этой идее твердое математическое обоснование. Циклическая Вселенная движется именно так, как вы можете себе представить, постоянно прыгая между большими взрывами и большими схлопываниями, потенциально на вечность назад во времени и на вечность в будущее.

Связанный: Почему теория струн существует — несмотря на запутанную физику

Что было до Большого Взрыва?

Как бы круто это ни звучало, но ранние версии циклической модели с трудом совпадали с наблюдениями — что очень важно, когда вы пытаетесь заниматься наукой, а не просто рассказывать истории у костра.

Главным препятствием было согласие с нашими наблюдениями космического микроволнового фона , ископаемого света, оставшегося с того времени, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Хотя мы не можем видеть прямо за этой стеной света, если вы начнете теоретически возиться с физикой зарождающегося космоса, вы повлияете на эту световую картину послесвечения.

Итак, казалось, что циклическая вселенная была хорошей, но неверной идеей.

Но экпиротический факел продолжал гореть на протяжении многих лет, и статья , опубликованная в марте 2020 года , исследовала недостатки в математике и раскрыла некоторые ранее упущенные возможности. Два физика, авторы исследования, Роберт Бранденбергер и Зивей Ванг, оба из Университета Макгилла в Канаде, обнаружили, что в момент «отскока», когда наша Вселенная сжимается до невероятно маленькой точки и возвращается в состояние Большого взрыва, она можно выровнять все, чтобы получить правильный результат, проверенный наблюдением.

Другими словами, сложная (и, по общему признанию, плохо изученная) физика этой критической эпохи действительно может позволить радикально пересмотреть взгляд на наше время и место в космосе.

Но чтобы полностью проверить эту модель, нам придется дождаться нового поколения космологических экспериментов. Так что давайте подождем, чтобы разлить экпиротическое шампанское.

Истории по теме:

Дополнительные ресурсы

Общий обзор теории Большого взрыва см. в разделе « Ваше место во Вселенной 9».0004 (открывается в новой вкладке) » Пола М. Саттера, который охватывает историю развития теории наряду с историей самой Вселенной. В другом видео , опубликованном Фондом Саймонса, физик Пол Стейнхардт объясняет идею Большого отскока

• Колб, Э. и Тернер, М. «Ранняя Вселенная», New York Westview Press , 1994. https://www.amazon.com/Early-Universe-Frontiers-Physics/dp/0201626748 (открывается в новой вкладке)
• Пикок, Дж. А. «Космологическая физика», издательство Кембриджского университета, 1998. https://www.amazon.com/Cosmological-Physics-Cambridge-Astrophysics-Peacock/dp/0521422701 (открывается в новой вкладке)
• Вайнберг, С. «Гравитация и космология: принципы и приложения общей теории относительности», Wiley & Sons, 1972. https://www.amazon.com/Gravitation-Cosmology-Principles-Applications-Relativity/dp/0471925675

Paul M. Sutter  is an astrophysicist at  SUNY  Stony Brook and the Flatiron Institute, host of  Ask a Spaceman  and  Space Radio и автор книги Ваше место во Вселенной .

Эта история была первоначально опубликована в Live Science в апреле 2020 г. Она была обновлена ​​и переиздана 11 февраля 2022 г.

(откроется в новой вкладке)

ПРЕДЛОЖЕНИЕ: Сэкономьте 45% на «Как это работает», «Все о космосе» и «Все об истории»! (открывается в новой вкладке)

В течение ограниченного времени вы можете оформить цифровую подписку на любой из наших самых продаваемых научных журналов (открывается в новой вкладке) всего за 2,38 доллара США в месяц или со скидкой 45 % от стандартной цены за первые три месяца.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего получил стажировку в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.

Что существовало до Большого Взрыва?

Загрузка

Большие вопросы жизни | Вселенная

Что существовало до Большого Взрыва?

(Изображение предоставлено Alamy)

Аластер Уилсон, 6 января 2022 г.

Как наша Вселенная родилась из ничего и существовало ли что-то до нее, остается загадкой, но это не мешает некоторым физикам пытаться это выяснить .

Насколько я понимаю, ничто не возникает из ничего. Чтобы что-то существовало, должен быть доступен материал или компонент, а чтобы они были доступны, должно быть доступно что-то еще. Откуда взялся материал, создавший Большой взрыв, и что произошло в первую очередь, чтобы создать этот материал? – Питер, 80 лет, Австралия.

«Последняя звезда будет медленно остывать и исчезать. С ее уходом Вселенная снова станет пустотой, лишенной света, жизни и смысла.» Так предупредил физик Брайан Кокс в недавнем сериале BBC Universe.

Погасание этой последней звезды будет лишь началом бесконечно долгой темной эпохи. В конце концов вся материя будет поглощена чудовищными черными дырами, которые, в свою очередь, испарятся, превратившись в самые тусклые проблески света. Пространство будет постоянно расширяться, пока даже этот тусклый свет не станет слишком рассеянным, чтобы взаимодействовать. Активность прекратится.

Или будет? Как ни странно, некоторые космологи считают, что предыдущая, холодная темная пустая вселенная, подобная той, которая находится в нашем далеком будущем, могла быть источником нашего собственного Большого взрыва.

Первая материя

Но прежде чем мы перейдем к этому, давайте посмотрим, как впервые возникла «материальная» — физическая материя. Если мы стремимся объяснить происхождение стабильной материи, состоящей из атомов или молекул, то ничего подобного не было ни во время Большого взрыва, ни в течение сотен тысяч лет после него. На самом деле у нас есть довольно подробное представление о том, как первые атомы образовались из более простых частиц, как только условия охладились настолько, что сложная материя стала стабильной, и как эти атомы позже слились в более тяжелые элементы внутри звезд. Но это понимание не решает вопроса о том, произошло ли что-то из ничего.

Итак, давайте подумаем еще немного. Первыми долгоживущими частицами вещества любого вида были протоны и нейтроны, которые вместе составляют атомное ядро. Они появились примерно через одну десятитысячную долю секунды после Большого взрыва. До этого момента действительно не было материала в привычном смысле этого слова. Но физика позволяет нам продолжать прослеживать временную шкалу в обратном направлении — к физическим процессам, которые предшествовали любой стабильной материи.

Это переносит нас в так называемую «эпоху великого объединения». К настоящему времени мы находимся в области спекулятивной физики, поскольку не можем производить достаточно энергии в наших экспериментах, чтобы исследовать процессы, которые происходили в то время. Но правдоподобной гипотезой является то, что физический мир состоит из супа из короткоживущих элементарных частиц, включая кварки, строительные блоки протонов и нейтронов. Было и вещество, и «антивещество» примерно в равных количествах. У каждого типа частиц материи, таких как кварк, есть компаньон из антиматерии, «зеркальное отражение», который почти идентичен себе, отличаясь только одним аспектом. Однако материя и антиматерия аннигилируют во вспышке энергии при встрече, а это означает, что эти частицы постоянно создавались и уничтожались.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой горячий бульон из частиц, в котором пространство и время еще должным образом возникли (Фото: Science History Images/Alamy) место? Квантовая теория поля говорит нам, что даже вакуум, предположительно соответствующий пустому пространству-времени, наполнен физической активностью в виде флуктуаций энергии. Эти флуктуации могут привести к тому, что частицы выскочат наружу, но вскоре после этого исчезнут. Это может показаться математической причудой, а не реальной физикой, но такие частицы были обнаружены в бесчисленных экспериментах.

Вакуум пространства-времени кишит частицами, которые постоянно создаются и уничтожаются, по-видимому, «из ничего». Но, возможно, все это на самом деле говорит нам о том, что квантовый вакуум (несмотря на свое название) — это нечто, а не ничто. Философ Дэвид Альберт незабываемо критиковал теории Большого Взрыва, которые обещают таким образом получить что-то из ничего.

Допустим, мы спросим: откуда возникло само пространство-время? Затем мы можем повернуть часы еще дальше назад, в действительно древнюю «эпоху Планка» — период настолько ранний в истории Вселенной, что наши лучшие физические теории рушатся. Эта эра наступила всего через одну десятимиллионную триллионной триллионной триллионной доли секунды после Большого Взрыва. В этот момент само пространство и время стали подвержены квантовым флуктуациям. Физики обычно работают отдельно с квантовой механикой, управляющей микромиром частиц, и с общей теорией относительности, применимой в больших космических масштабах. Но чтобы по-настоящему понять эпоху Планка, нам нужна полная теория квантовой гравитации, объединяющая их.

У нас до сих пор нет идеальной теории квантовой гравитации, но есть попытки, такие как теория струн и петлевая квантовая гравитация. В этих попытках обычное пространство и время обычно рассматриваются как возникающие, как волны на поверхности глубокого океана. То, что мы воспринимаем как пространство и время, является продуктом квантовых процессов, действующих на более глубоком, микроскопическом уровне, — процессов, которые не имеют особого смысла для нас, существ, укоренившихся в макроскопическом мире.

В эпоху Планка наше обычное понимание пространства и времени рушится, поэтому мы больше не можем полагаться и на наше обычное понимание причины и следствия. Несмотря на это, все кандидаты в теории квантовой гравитации описывают нечто физическое, что происходило в эпоху Планка — некий квантовый предшественник обычного пространства и времени. Но откуда , откуда ?

«Большие вопросы жизни»

Он стремится ответить на мучительные вопросы наших читателей о жизни, любви, смерти и Вселенной. Мы работаем с профессиональными исследователями, которые посвятили свою жизнь раскрытию новых взглядов на вопросы, которые определяют нашу жизнь. Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ, отправьте электронное письмо или отправьте нам сообщение  Facebook или Twitter или по электронной почте BigQuestions@theconversation. com

Даже если причинность не применяет ни к любому, это возможно, что это может быть. Вселенная эпохи Планка с точки зрения другой. К сожалению, к настоящему времени даже наша лучшая физика не может полностью дать ответы. Пока мы не продвинемся дальше к «теории всего», мы не сможем дать какой-либо окончательный ответ. Самое большее, что мы можем с уверенностью сказать на данном этапе, это то, что физика до сих пор не нашла подтвержденных случаев возникновения чего-либо из ничего.

Циклы почти из ничего

Чтобы по-настоящему ответить на вопрос, как что-то могло возникнуть из ничего, нам нужно было бы объяснить квантовое состояние всей Вселенной в начале эпохи Планка. Все попытки сделать это остаются весьма спекулятивными. Некоторые из них взывают к сверхъестественным силам, как дизайнер. Но другие возможные объяснения остаются в сфере физики — например, мультивселенная, содержащая бесконечное количество параллельных вселенных, или циклические модели Вселенной, рождающиеся и возрождающиеся снова.

Нобелевский лауреат 2020 года по физике Роджер Пенроуз предложил одну интригующую, но противоречивую модель циклической Вселенной, получившую название «конформная циклическая космология». Пенроуз был вдохновлен интересной математической связью между очень горячим, плотным, маленьким состоянием Вселенной, каким оно было при Большом взрыве, и чрезвычайно холодным, пустым, расширенным состоянием Вселенной, каким оно будет в далеком будущем. . Его радикальная теория, объясняющая это соответствие, состоит в том, что эти состояния становятся математически идентичными, если довести их до предела. Как это ни парадоксально, полное отсутствие материи могло породить всю материю, которую мы видим вокруг себя в нашей Вселенной.

С этой точки зрения Большой Взрыв возникает практически из ничего. Это то, что остается, когда вся материя во Вселенной поглощается черными дырами, которые, в свою очередь, испаряются в фотоны — теряются в пустоте. Таким образом, вся вселенная возникает из чего-то, что, если смотреть с другой физической точки зрения, настолько близко, насколько это вообще возможно, ни к чему. Но это ничто по-прежнему является своего рода чем-то. Это все еще физическая вселенная, хотя и пустая.

Ученые из ЦЕРН пытались изучить антиматерию в надежде узнать больше о ранней Вселенной (Фото: Фабрис Коффрини/AFP/Getty Images)

Как одно и то же состояние может быть холодной и пустой вселенной с одной точки зрения и горячей плотной вселенной с другой? Ответ заключается в сложной математической процедуре, называемой «конформным масштабированием», геометрическом преобразовании, которое фактически изменяет размер объекта, но оставляет его форму неизменной.

Пенроуз показал, как холодное плотное состояние и горячее плотное состояние могут быть связаны таким масштабированием, чтобы они совпадали в отношении формы их пространства-времени, хотя и не в отношении их размеров. По общему признанию, трудно понять, как два объекта могут быть таким образом идентичными, когда они имеют разные размеры, но Пенроуз утверждает, что размер как понятие теряет смысл в таких экстремальных физических условиях.

В конформно-циклической космологии направление объяснения идет от старого и холодного к молодому и горячему: горячее плотное состояние существует из-за холодного пустого состояния. Но это «потому что» не является общеизвестным — причина, за которой во времени следует ее следствие. В этих экстремальных состояниях не только размер перестает иметь значение, но и время. Холодное плотное состояние и горячее плотное состояние фактически расположены на разных временных линиях. Холодное пустое состояние будет продолжаться вечно с точки зрения наблюдателя в его собственной временной геометрии, но горячее плотное состояние, которое оно порождает, эффективно населяет новую собственную временную линию.

Вам также могут понравиться:

• Что, если у Вселенной нет конца?
• Странная физика внутри черных дыр
• Тайна того, насколько велика наша Вселенная

Это может помочь понять, что горячее плотное состояние возникает из холодного пустого состояния каким-то некаузальным образом. Возможно, нам следует сказать, что горячее плотное состояние возникает из , или основывается на , или реализуется посредством 9.0104 холодное, пустое состояние. Это отчетливо метафизические идеи, которые широко исследовались философами науки, особенно в контексте квантовой гравитации, где обычная причина и следствие, кажется, несовместимы. В пределах наших знаний физику и философию становится трудно разделить.

Экспериментальное свидетельство?

Конформная циклическая космология предлагает некоторые подробные, хотя и спекулятивные ответы на вопрос, откуда произошел наш Большой Взрыв. Но даже если видение Пенроуза подтвердится грядущим прогрессом космологии, можно подумать, что мы все равно не ответили бы на более глубокий философский вопрос — вопрос о том, откуда взялась сама физическая реальность. Как возникла вся система циклов?

Тогда мы, наконец, приходим к чистому вопросу о том, почему существует что-то, а не ничто — один из самых больших вопросов метафизики.

Некоторые теории предполагают, что до того, как существовала наша собственная Вселенная, были другие, которые периодически появлялись и исчезали. Есть три общих варианта более глубокого вопроса о том, как начались циклы. Это не могло иметь никакого физического объяснения. Или могут быть бесконечно повторяющиеся циклы, каждый из которых представляет собой вселенную сам по себе, с начальным квантовым состоянием каждой вселенной, объясняемым какой-то особенностью вселенной ранее. Или может быть один-единственный цикл и одна-единственная повторяющаяся вселенная, причем начало этого цикла объясняется какой-то особенностью его собственного конца. Последние два подхода избегают необходимости в каких-либо беспричинных событиях, и это придает им особую привлекательность. Ничто не осталось бы необъясненным физикой.

Пенроуз предполагает последовательность бесконечных новых циклов по причинам, отчасти связанным с его собственной предпочтительной интерпретацией квантовой теории. В квантовой механике физическая система существует в суперпозиции множества различных состояний одновременно и только случайным образом «выбирает одно», когда мы его измеряем. Для Пенроуза каждый цикл включает в себя случайные квантовые события, происходящие по-разному, то есть каждый цикл будет отличаться от предыдущих и последующих. На самом деле это хорошая новость для физиков-экспериментаторов, потому что она может позволить нам взглянуть на старую Вселенную, которая породила нашу, через слабые следы или аномалии в остаточном излучении Большого взрыва, наблюдаемом спутником «Планк».

Пенроуз и его сотрудники полагают, что они уже могли обнаружить эти следы, приписывая закономерности в данных Планка излучению сверхмассивных черных дыр в предыдущей Вселенной. Однако заявленные ими наблюдения были оспорены другими физиками, и жюри остается в силе.

Бесконечные новые циклы являются ключом к собственному видению Пенроуза. Но есть естественный способ преобразовать конформно-циклическую космологию из многоцикловой в одноцикловую форму. Тогда физическая реальность состоит в единственном цикле вокруг Большого Взрыва до максимально пустого состояния в далеком будущем – и затем снова по кругу до того же Большого Взрыва, порождающего снова и снова ту же Вселенную.

Эта последняя возможность согласуется с другой интерпретацией квантовой механики, получившей название многомировой интерпретации. Многомировая интерпретация говорит нам, что каждый раз, когда мы измеряем систему, находящуюся в суперпозиции, это измерение не выбирает состояние случайным образом. Вместо этого результат измерения, который мы видим, — это всего лишь одна из возможностей — та, которая разыгрывается в нашей собственной Вселенной. Все результаты других измерений разыгрываются в других вселенных в мультивселенной, фактически отрезанных от нашей собственной. Таким образом, неважно, насколько мала вероятность того, что что-то произойдет, если вероятность этого не равна нулю, то это произойдет в каком-то квантовом параллельном мире. Есть такие же люди, как и вы, в других мирах, которые выиграли в лотерею, или были унесены в облака странным тайфуном, или спонтанно воспламенились, или сделали все три одновременно.

Некоторые считают, что такие параллельные вселенные также можно наблюдать в космологических данных как отпечатки, вызванные столкновением другой вселенной с нашей.

Квантовая теория многих миров дает новый взгляд на конформно-циклическую космологию, хотя и не тот, с которым согласен Пенроуз. Наш Большой Взрыв может быть возрождением одной единственной квантовой мультивселенной, содержащей бесконечное множество различных вселенных, происходящих вместе. Случается все возможное — потом это происходит снова, и снова, и снова.

Древний миф

Для философа науки видение Пенроуза завораживает. Это открывает новые возможности для объяснения Большого Взрыва, выводя наши объяснения за рамки обычных причин и следствий. Поэтому это отличный пример для изучения различных способов, которыми физика может объяснить наш мир. Он заслуживает большего внимания со стороны философов.

Для любителя мифологии видение Пенроуза прекрасно. В излюбленной Пенроузом многоцикловой форме он обещает бесконечные новые миры, рожденные из пепла их предков. В своей одноцикловой форме это поразительное современное обращение к древней идее 9-ти циклов. 0103 уроборос , или мировой змей. В скандинавской мифологии змей Ёрмунганд — дитя ловкого обманщика Локи и великанши Ангрбоды. Ёрмунганд пожирает собственный хвост, и созданный круг поддерживает баланс мира. Но миф о уроборосе был задокументирован во всем мире, в том числе еще в Древнем Египте.

уроборос единой циклической вселенной поистине величественен. В его чреве находится наша собственная Вселенная, а также все странные и чудесные альтернативные возможные вселенные, допускаемые квантовой физикой. сто тысяч миллионов миллиардов триллионов градусов Цельсия.

Даже Локи, оборотень, был бы впечатлен.

* Аластер Уилсон — профессор философии в Университете Бирмингема

—

Эта статья Первоначально появилась на разговоре и переиздана под лицензией Creaters Commons.

—

Присоединяйтесь к миллиону поклонников Future, поставив лайк нам на  Facebook или подпишитесь на нас в Twitter или Instagram .