Спросите Итана №63: рождение пространства и времени

Если что-то существовало до Большого взрыва, что это может значить для рождения нашей Вселенной?

Ты можешь попытаться соврать самому себе. Ты можешь говорить себе, что ты вложил всё свое время и все свои усилия. Но ты знаешь правду — и я её знаю.
Дж. Дж. Уатт

Полвека прошло с тех пор, когда крупнейшие предсказания теории Большого взрыва были подтверждены, и навсегда изменили наше представление о Вселенной. Вместо концепции о вечной и бесконечной Вселенной у нас теперь есть понимание, что всё, что мы можем наблюдать, существовало примерно 14 миллиардов лет космического времени, а Солнце и Солнечная система существуют всего лишь треть от этого срока. Что и делает вопрос Себастьяна, заданный в нашей колонке, таким интересным:
Когда началось пространство-время? Когда я был ребёнком, я узнал, что началом всего был Большой взрыв. Теперь, видимо, это представление не совсем верно, поскольку до Большого взрыва была космическая инфляция, а взрыв был вовсе не взрывом, а состоянием, когда Вселенная была горячее и плотнее. Если до Большого взрыва была инфляция, значит, до него было и пространство-время?
Чтобы полностью ответить на вопрос, нам нужно рассмотреть три вещи. Первая – что мы подразумеваем под пространством и временем.

https://geektimes.ru/post/277584/
Вы привыкли к обычному понятию пространства – длина, ширина, высота – и времени, которые вы можете представлять себе просто, как ответы на вопросы «когда» и «где». И это не такое уж и плохое представление – но есть две особенности пространства и времени, о которых вам нужно знать, и которые могут показаться не такими интуитивными. Понадобился Эйнштейн, чтобы разобраться в этом, и даже он не справился бы без посторонней помощи!

Первое – пространство и время не две отдельные сущности, как считал Ньютон. Если вы двигаетесь в пространстве, ваше движение меняет течение времени для вас, а если два человека двигаются в пространстве с разными скоростями – они по-разному воспринимают как своё время, так и время, проходящее для другого.



Способ, которым проще всего описать происходящее, был придуман даже не Эйнштейном, а математикомГерманом Минковским. Нужно рассматривать объединённое пространство-время, где вместо трёх пространственных и одного временного измерения существует четырёхмерная сущность пространства-времени. В 1908 году Минковский писал следующее:

Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, выросли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.

И хотя Эйнштейн поначалу противился такой революции, принятие им новой концепции привело к ещё большему открытию.



Суть не только в том, что пространство и время объединены в четырехмерную ткань пространства-времени, но и в том, что кривизна этой ткани определяется присутствием материи и энергии. Как движение через пространство-время влияет на то, как по-разному оценивают наблюдатели проходящее время и расстояния, так и присутствие материи и энергии (и искривления в общем случае) влияют на восприятие пространства и времени.

В наиболее экстремальных примерах концентрации материи и энергии – сингулярностях – понятия пространства и времени нарушаются.



Наиболее привычно для нас представлять сингулярность как центр чёрной дыры, где становится достижимой произвольная (а возможно, и бесконечная) плотность материи и энергии. В этом случае представление о пространстве-времени нарушается, поскольку уравнения Эйнштейна дают бессмысленные результаты.

Второй вопрос, который необходимо рассмотреть – схема Большого взрыва.



Сегодняшняя Вселенная представляется нам относительно холодной и пустой, за исключением мест, где сконцентрирована материя, звёзды, планеты, и жизнь, сформировавшиеся за миллиарды лет её существования. Вся эта космическая пирамида, от субатомных масштабов вплоть до огромных галактических кластеров, существует благодаря гравитации, электромагнетизму и ядерным силам.

Отправившись назад во времени, мы обнаружим, что всё в прошлом было более равномерно с гравитационной точки зрения, а Вселенная была горячее (длины световых волн были короче) и плотнее, из-за того, что пространство-время постоянно расширялось.



Мы можем отправиться назад во времени сколь угодно далеко, до всё более высоких энергий, больших температур и увеличивающихся плотностей. Например, до времени, когда:

ещё не сформировались звёзды и галактики, и Вселенная была морем тёплых нейтральных атомов;
было слишком горячо для формирования нейтральных атомов, и Вселенная представляла собою ионизированную плазму из ядер и электронов;
было слишком горячо для формирования ядер, и были лишь свободные протоны и нейтроны;
было настолько горячо, что в результате столкновений частиц возникали пары материя/антиматерия для всех известных частиц.

Можно захотеть пойти ещё дальше в прошлое, к произвольной плотности, температуре, и даже к тому событию, которое соответствует сингулярности: моменту, когда вся Вселенная была заключена в одной точке.



И если бы это было так, то пространство и время начались бы оттуда – поскольку не существует никакого «где» вне пространства, и «когда» вне времени. Но приняв такое положение за реальное начало Вселенной, мы столкнулись бы с огромным количеством загадок, которые нельзя было бы разгадать. Сейчас физика учит нас, что нельзя двигаться сколько угодно далеко в прошлое, и что состояние инфляции – экспоненциально расширяющегося пространства-времени, с энергией, присущей самому пространству – предшествовало и привело к тому горячему и плотному состоянию, которое мы называем Большим взрывом.



Ведь именно в тот момент, когда энергия, привязанная к самому пространству, преобразовывается в материю и излучение, и прекращается экспоненциальное расширение, что приводит к появлению такой Вселенной, какой по нашим представлениям она была в прошлом.



И мы приходим к третьему вопросу, памятуя о сингулярностях и Большом взрыве: если Вселенная до Большого взрыва, во время инфляции, состояла из экспоненциально расширяющегося пространства-времени, откуда это пространство-время взялось?

Как ни странно, есть три интуитивных варианта ответа:

у Вселенной могло быть начало, до которого не было ничего;
она могла существовать вечно, как бесконечная линия, простирающаяся в двух направлениях;
она может быть цикличной, как окружность, повторяющаяся снова и снова.



Если обратиться к представлению о Большом взрыве без предшествующей инфляции, то все факты говорят о первом варианте: Вселенная родилась в “момент”, когда у неё была бесконечная энергия и в этот же “момент” началось пространство-время.

Но инфляция меняет всё. Вместо сингулярности с t = 0, в момент возникновения Большого взрыва, возникает Вселенная, существующая в состоянии инфляции, когда она экспоненциально расширяется в течение неустановленного времени.




Синяя и красная линия представляют «традиционный» вариант Большого взрыва, когда всё начинается в момент t = 0, включая и пространство-время. Но в варианте с инфляцией (жёлтый) мы не добираемся до сингулярности. Вместо этого пространство может быть сколь угодно малым, а время можно отматывать назад бесконечно.

Такой сценарий больше подходит ко 2-му варианту, то есть вечной Вселенной. Но оказывается, и тут есть подвох. Согласно одной из теорем, инфляционная Вселенная не может существовать вечно, и должна была начаться из сингулярности.



Правда, эта теорема основана на известных законах физики, а применять их предлагается к тому моменту, когда законы физики перестают работать. Кроме того, хотя Вселенная и огромна и содержит очень много всего, количество материи в ней всё-таки не бесконечно. В ней есть около 10⁹⁰ частиц (включая фотоны и нейтрино), зародившиеся во времена горячего и расширяющегося состояния Большого взрыва, и ещё на 10^-30секунд раньше, в последние моменты инфляции – и всё равно, есть некоторые вещи, которые мы не можем пронаблюдать.



К сожалению, среди них есть и происхождение инфляционного пространства-времени.

Неизвестно, значит ли всё вышеизложенное, что инфляционная Вселенная не могла существовать вечно, или что наши законы физики неприменимы к этому вопросу, или что у неё было начало, или что она цикличная… Возможно даже, что и время циклично, и циклы меняются с каждой итерацией. И, несмотря на весь наш прогресс, у нас до сих пор есть три этих возможности, которые философы и теологи обсуждают уже столько времени: время конечно, время бесконечно, время циклично.



Знаем мы лишь то, что если в прошлом и была сингулярность, она не имеет ничего общего с нашим горячим и Большим взрывом, до которого можно отследить каждую частицу материи и энергии в наблюдаемой Вселенной.

Если мы не придумаем способ получить информацию о том времени, когда наблюдаемая Вселенная существовала в каком-то допустимом смысле, ответ на этот вопрос может оказаться недостижимым. Не каждый вопрос в колонке «Спросите Итана» получит однозначный ответ – мы обсуждаем лишь то, что известно на основании собранных данных.