Ученые предложили новую теорию происхождения Вселенной, которая не укладывается в голове
Теория Большого Взрыва — краеугольный камень современной космологии, описывающий рождение нашей Вселенной из невероятно горячего и плотного состояния примерно 13,8 миллиарда лет назад. Этот момент часто представляют как взрывное начало всего: пространства, времени и материи. Однако, несмотря на впечатляющие успехи в объяснении структуры и эволюции космоса, стандартная модель оставляет без ответа некоторые фундаментальные вопросы.
Что было до Большого Взрыва? Почему Вселенная так однородна и плоска в больших масштабах? И что за таинственные силы, такие как темная энергия, управляют ее ускоряющимся расширением? Эти загадки заставляют ученых искать альтернативные сценарии происхождения нашего мира, заглядывая за горизонт привычных представлений.
Общепринятая точка зрения
В основе стандартной космологической модели лежит понятие сингулярности — точки с бесконечной плотностью, где законы физики перестают работать. Это не просто техническая проблема, а глубокий теоретический изъян, указывающий на неполноту нашего понимания самого начала.
Для объяснения наблюдаемой структуры Вселенной физики ввели в раннюю Вселенную короткую фазу стремительного расширения, названную космической инфляцией, движимую неизвестным полем со странными свойствами. Позже, для объяснения наблюдаемого сегодня ускоренного расширения, была добавлена еще одна «загадочная» компонента — темная энергия. Таким образом, стандартная модель хорошо работает, но только за счет введения новых ингредиентов, которые мы никогда не наблюдали напрямую.
В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review D, группа ученых, включая профессора Энрике Газтанагу из Института космологии и гравитации Портсмутского университета, предложила поразительную альтернативу. Их расчеты показывают, что Большой Взрыв мог быть не началом всего, а скорее результатом гравитационного коллапса, сформировавшего очень массивную черную дыру, с последующим «отскоком» внутри нее.
Эта идея, названная «Вселенная в черной дыре» (black hole universe), предлагает радикально иной взгляд на космическое происхождение, но при этом полностью основана на известной физике и наблюдениях. Вместо того чтобы начинать с расширяющейся Вселенной и пытаться проследить ее начало, исследователи рассмотрели, что происходит, когда сверхплотное скопление материи коллапсирует под действием гравитации.
Это знакомый процесс: звезды коллапсируют в черные дыры, которые являются одними из наиболее изученных объектов в физике. Однако то, что происходит внутри черной дыры, за горизонтом событий, откуда ничто не может вырваться, остается загадкой. В 1965 году британский физик Роджер Пенроуз доказал, что при очень общих условиях гравитационный коллапс должен приводить к сингулярности.
Этот результат, расширенный покойным Стивеном Хокингом и другими, лежит в основе идеи о неизбежности сингулярностей, подобных той, что была при Большом Взрыве. Однако эти «теоремы о сингулярности» опираются на классическую физику. Если же учесть эффекты квантовой механики, которые управляют микромиром атомов и частиц, как это необходимо при экстремальных плотностях, картина может измениться.
Новая теория Вселенной
В своей новой работе ученые показывают, что гравитационный коллапс не обязательно должен заканчиваться сингулярностью. Они нашли точное аналитическое решение — математический результат без каких-либо приближений. Их математика демонстрирует, что по мере приближения к потенциальной сингулярности размер Вселенной изменяется как гиперболическая функция космического времени.
Это простое математическое решение описывает, как коллапсирующее облако материи может достичь состояния высокой плотности, а затем «отскочить», перейдя в новую фазу расширения. Ключевую роль в предотвращении бесконечного сжатия материи играет квантовый принцип запрета Паули, который гласит, что две одинаковые частицы-фермионы не могут занимать одно и то же квантовое состояние. В результате коллапс останавливается и обращается вспять. «Отскок» не только возможен, но и неизбежен при правильных условиях.
Важно отметить, что этот отскок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применяется в больших масштабах, таких как звезды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики — без привлечения экзотических полей, дополнительных измерений или спекулятивной физики. То, что возникает по другую сторону отскока, — это вселенная, удивительно похожая на нашу. Более того, отскок естественным образом порождает две отдельные фазы ускоренного расширения — инфляцию и темную энергию — движимые не гипотетическими полями, а физикой самого отскока.
Одним из достоинств этой модели является то, что она делает проверяемые предсказания. Она предсказывает небольшое, но ненулевое количество положительной пространственной кривизны — это означает, что Вселенная не идеально плоская, а слегка искривлена, подобно поверхности Земли. Это просто остаток первоначальной небольшой сверхплотности, которая вызвала коллапс.
Если будущие наблюдения, такие как продолжающаяся миссия «Евклид», подтвердят небольшую положительную кривизну, это будет сильным намеком на то, что наша Вселенная действительно возникла в результате такого отскока. Модель также делает предсказания относительно текущей скорости расширения Вселенной, что уже нашло подтверждение.
Эта модель не только решает технические проблемы стандартной космологии, но и может пролить новый свет на другие глубокие загадки в нашем понимании ранней Вселенной, такие как происхождение сверхмассивных черных дыр, природа темной материи или иерархическое формирование и эволюция галактик. Эти вопросы будут исследоваться будущими космическими миссиями, такими как «Аррахис», которая будет изучать диффузные структуры, такие как звездные гало и галактики-спутники.
«Вселенная в черной дыре» также предлагает новую перспективу нашего места в космосе. В этой концепции вся наша наблюдаемая Вселенная находится внутри черной дыры, образовавшейся в некой большей «родительской» вселенной. Мы не являемся свидетелями рождения всего из ничего, а скорее продолжением космического цикла, формируемого гравитацией, квантовой механикой и глубокими взаимосвязями между ними. Это ставит под сомнение уникальность нашего Большого Взрыва и открывает возможность существования мультивселенной, где каждая черная дыра может быть порталом в новую вселенную со своими физическими законами и константами.
