Сегодня границы нашего наблюдаемого пространства простираются на астрономические 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях. Самый древний свет, который мы можем зафиксировать, был излучен 13,8 млрд лет назад и соответствует эпохе 280 тыс. лет после Большого взрыва. Поскольку Вселенная постоянно расширяется, логично предположить: если отмотать время назад, она была значительно меньше, плотнее и горячее.
Чтобы узнать о прошлом космоса, физики опираются на общую теорию относительности Эйнштейна. Если Вселенная однородна и изотропна, ее эволюцию описывает метрика Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (FLRW). Математические уравнения, выведенные Александром Фридманом, позволяют точно вычислить масштаб наблюдаемой Вселенной в прошлом, если знать ее современный состав. Сегодня она состоит из темной энергии (68 %), темной материи (27 %), обычной материи (4,9 %), нейтрино (0,1 %) и крошечной доли излучения (0,01 %). Зная, как ведет себя каждый из этих компонентов во время расширения, мы можем заглянуть в самое начало времен.
Почему сингулярность невозможна?
Можем ли мы экстраполировать эти данные вплоть до момента отсчета времени («t = 0»), когда Вселенная была сжата в бесконечно малую точку (сингулярность) с бесконечной температурой? Хотя такая идея кажется заманчивой, она противоречит нашим наблюдениям.
Если бы Вселенная действительно возникла из столь высокоэнергетического состояния, это оставило бы видимые следы. Огромные температурные колебания отразились бы в реликтовом излучении, а сверхвысокие температуры сгенерировали бы мощные гравитационные волны. Для их поиска даже не нужны обсерватории типа LIGO — их влияние было бы заметно в сигналах поляризации фонового света.
Данные космических миссий, таких как WMAP и Planck, показывают, что реальные температурные флуктуации примерно в 30 тыс. раз меньше, чем должны были бы быть при старте из сингулярности. Это устанавливает жесткий предел: в самый горячий момент Большого взрыва Вселенная не нагревалась выше энергетического эквивалента в 1015 ГэВ. Соответственно, она физически не могла быть бесконечно малой.
Эпоха космической инфляции
Чтобы объяснить отсутствие сверхвысоких температур, в начале 1980-х годов была предложена теория космической инфляции. Она утверждает, что горячему Большому взрыву предшествовала совсем другая фаза.
Тогда Вселенная была наполнена колоссальным количеством энергии, присущей самому полю или пространству, что заставляло ее расширяться с экспоненциальной скоростью. Впоследствии инфляционное поле распалось, превратив свою энергию в материю и излучение. Именно этот момент и является настоящим началом горячего Большого взрыва. Инфляция эффективно «стерла» любую информацию о том, что происходило до нее, оставляя нам лишь сигналы из последних мгновений этого стремительного расширения.
Компьютерные моделирования (например, GiggleZ или WiggleZ) демонстрируют, как из этого первоначально однородного горячего состояния под воздействием гравитации постепенно сформировалась современная крупномасштабная паутинообразная структура Вселенной.
Реальный размер начала
Учитывая установленный предел максимальной температуры 1015 ГэВ, мы можем математически отмотать время назад лишь до отметки ≈10-35 секунд. На этом этапе размер всей нашей наблюдаемой Вселенной составлял около 1,5 м.
То есть на самых ранних этапах, которым мы объективно можем приписать хоть какой-то количественный размер, весь наш современный космос был не меньше размаха рук обычного подростка. Еще десять лет назад ученые считали минимальной границей «размер футбольного мяча», но новейшие измерения существенно уточнили эту цифру. Он вполне мог быть больше (например, размером с городской квартал), но что-либо меньше 1,5 метра непременно породило бы в микроволновом фоне колебания, которых в реальности просто не существует.
Природа накладывает фундаментальные ограничения на наше познание, и мы никогда не сможем увидеть то, что было до космической инфляции. Однако одно мы знаем наверняка: наш космос не рождался из бесконечно малой математической абстракции. У него было вполне реальное, измеримое начало.
Ранее мы рассказывали о том, что было до Большого взрыва.
По материалам Big Think
