Рождение Вселенной. Физики описали, что было до Большого взрыва - фото

Рождение Вселенной. Физики описали, что было до Большого взрыва

24 ноября 2019, 07:00

Группа ученых из США и Нидерландов предположила, что в момент перед Большим взрывом существовали экзотические частицы и гравитация действовала по-другому.

Коротко:

— что могло быть до Большого взрыва

— какая экзотическая материя может объяснить появление Вселенной

— какие исследования сделают наши законы физики и геометрии неправильными

Видео дня

Около 13,8 млрд лет эволюции Вселенной привели к тому, что сейчас вы, находясь на окраине Млечного пути в сверхскоплении галактик Ланиакея, читаете этот материал.

Очевидно, что Вселенная в какой-то форме существовала и до этого времени, но наш космический календарь ведется именно от такой точки отсчета: принято считать, что чуть меньше, чем 14 млрд лет назад произошел Большой взрыв, после которого все пространство начало неумолимо расширяться.

Что было до этого — не знает никто. Но, физики из США и Нидерландов недавно предложили модель, которая описывает, почему произошел Большой взрыв и что было до него. Ученые полагают, что во Вселенной существует некая экзотическая материя — инфлятоны, — которая имела достаточное количество энергии для нагрева частиц в сжатом пространстве до Большого взрыва.

Правда это или нет — пока неизвестно. Но, теорию можно доказать, если в будущем астрофизики найдут частицы такой материи где-то во Вселенной. Тем временем, нам остается полагать, что планета Земля, как и все живое на ней, являются производными от частиц, которые возникли из сингулярности и продолжали свое развитие в течение миллиардов лет.

Конечно, на таком уровне не менее логичными смотрятся версии о том, что: обозримая нам Вселенная является частью огромной симуляции, как в фильме Матрица; жизнь на Землю принесли сверхцивилизации, которые наблюдают за нами, как за подопытными животными; или, на худой конец, все пространство вокруг — дело рук всемогущего существа, с которым мы встретимся после смерти.

У астрофизиков на этот счет другое мнение: реликтовое излучение, квазары, пульсары, галактические филаменты и прочие составляющие Вселенной доказывают, что все не так просто, и каждая частичка имеет свое назначение в огромной солянке из звезд, галактик, черных дыр и всего, что их окружает.

Что стало причиной появления этой солянки — пытаются выяснить американские и голландские физики.

Science Photo Library

Фото: Science Photo Library

Что было до Большого взрыва?

Группа исследователей из Института теоретической физики в Лейдене и Массачусетского технологического института разработала симуляцию важнейшего периода в зарождении Вселенной и опубликовала результаты своего открытия в научном журнале Physical Review Letters.

Авторы работы предположили, что происходило перед Большим взрывом и так называемой сингулярностью — начальным этапом существования Вселенной в форме бесконечно малой точки с очень высокой плотностью вещества.

Ученые считают, что после того, как Вселенная впервые расширилась из бесконечно малой точки примерно в октиллион раз (единица с 27 нулям), но при этом все равно оставалась чрезвычайно малой и плотной, наступил так называемый период повторного нагрева или пост-инфляционный период.

Именно в этот период Вселенная была невероятно холодной, и для ее дальнейшего расширения (собственно, Большого взрыва) и появления элементов вроде водорода ее должны были нагреть дополнительные, пока неизвестными нам частицы, или еще одна экзотическая материя.

Физики узнали это, смоделировав период повторного нагрева с помощью специального программного обеспечения. Компьютерная симуляция показала, как энергия внутри первоначальной Вселенной может изменяться и какие свойства тогда проявляла гравитация.

«Научное сообщество почти 40 лет пытается найти ответы на вопросы, что стало причиной расширения и как нагревалась Вселенная в самом начале. В большинстве случаев, популярные модели исключаются. Наша конкретная модель демонстрирует эту сложную систему и показывает, как может появиться горячая Вселенная, в которой энергия эффективно выводится из инфляционного поля и формируются частицы», — говорит один из авторов исследования доцент кафедры физики Том Джиблин.

stoccolmaaroma.it

Фото: stoccolmaaroma.it

Согласно полученной модели, в период повторного нагрева Вселенной, из-за огромного количества энергии появились некоторые отдельные частицы, которые сталкивались между собой, создавая еще больший импульс и дополнительную энергию, что и обеспечило условия для Большого взрыва.

В качестве недостающей частицы, которая должна была отвечать непосредственно за дополнительное энергетическое поле, физики ввели в свою модель симуляции экзотическую материю — инфлятоны. Похожие по своей природе с революционным открытием современной физики — бозонами Хиггса, инфлятоны, при определенных условиях, равномерно распределяли энергию и создавали достаточное количество других частиц для нагрева Вселенной и Большого взрыва.

«Когда мы изучаем раннюю Вселенную — мы экспериментируем с частицами при очень и очень высоких температурах. Переход от периода холодной инфляции к горячему периоду — это то, что должно содержать некоторые ключевые доказательства существования частиц при этих чрезвычайно высоких энергиях», — объясняет Джиблин.

Как и в мире квантовой механики, главной загадкой для физиков остается то, как действует гравитация на субатомном уровне, на котором существовала Вселенная во время своего зарождения. Чтобы модель периода повторного нагрева работала, ученые определили, что силу гравитации нужно значительно увеличить, — лишь тогда инфлятоны эффективно передавали энергию и создавали разнообразие горячих частиц, необходимых для Большого взрыва.

Существование инфлятонов, как и альтернативное воздействие гравитации — не доказаны экспериментально, поэтому работа физиков из США и Голландии остается лишь одной из многочисленных теорий, в принципе, как и теория Большого взрыва.

CC

Фото: CC

Стоит ли верить в Большой взрыв?

Очевидно в Большой взрыв, как и в эволюционную теорию Дарвина, верят далеко не все люди. Но, для большинства космологов и тех, кто приближен к этой науке, Большой взрыв — это уже общепринятая модель раннего развития Вселенной.

Правда, стоит учитывать и тот факт, что космология как наука была определена только в первой половине XX столетия. До этого из-за недостачи фактологических данных многие ученые воспринимали ее на уровне спекуляций и необоснованных теорий. Ключевые открытия в космологии, вроде решений уравнения Эйнштейна, которые подтолкнули физиков к идеи о сингулярности, смещение галактик, открытое Эдвином Хабблом и, наконец, Большой взрыв, были определены менее 100 лет назад.

Современные исследования о реликтовом излучении, формировании структуры Вселенной, темной материи и т. д., которые подтвердили и расширили предыдущие наработки, и вовсе произошли в последние 50 лет, а в этому году физик Джеймс Пиблс получил за них Нобелевскую премию.

На сегодня ключевым доказательством Большого взрыва и расширения Вселенной стало открытие реликтового излучения — микроволнового фона, который остался от вещества, возникшего на ранних этапах формирования Вселенной. Это излучение демонстрирует горячие и холодные области в первоначальной Вселенной.

Изучая реликтовое излучение, процессы формирования и распространения частиц, ученые и пришли к выводу о Большом взрыве и его приблизительных временных рамках — 13,830 ± 0,075 млрд лет.

Примечательно, что первичное расширение Вселенной и Большой взрыв не являются окончательными процессами формирования: по данным ученых, Вселенная продолжает постепенно расширяться и сейчас. Это расширение описывает еще одна, на этот раз, инфляционная модель Вселенной.

CC

Фото: CC

Модель Большого взрыва также предполагает, что все пространство вокруг нас является бесконечным. Но, насчет этого существуют некоторые разногласия. Во-первых, ученые до сих пор не могут определиться с точной скоростью расширения Вселенной, — параметра, который может перевернуть наше понимание космических расстояний и изменить многие постоянные в современной астрофизике.

Ну а во-вторых несколько недель назад группа ученых из Англии, Италии и Франции опубликовала исследование, согласно которому Вселенная давно перестала расширяться, и сейчас представляет из себя замкнутое сферическое пространство. Астрофизики пришли к этому, проанализировав данные упомянутого реликтового излучения.

По подсчетам ученых, плотность материи во Вселенной несколько выше, чем считалось ранее, и поэтому, в инфляционной модели должна преобладать гравитация, которая якобы захлопнула все пространство вокруг нас в замкнутую сферу. Противники этой теории говорят, что дело лишь в погрешности при расчетах, поскольку реликтовое излучение — это огромный массив данных, которые почти наверняка невозможно расшифровать на 100% точно.

Как бы там ни было, если авторы исследования о замкнутой Вселенной правы — это ставит под угрозу не только действующие космологические теории, но и даже законы физики и геометрии.

Не факт, что в существующей инфляционной теории Вселенной ученые не учли еще какую-то экзотическую материю, которая уравнивала бы действие гравитации и подтвердила, что пространство действительно бесконечно.

esa.int

Фото: esa.int

Что такое экзотическая материя и почему она так важна?

Как и инфлятоны, предложенные физиками из США и Нидерландов, так и любые другие гипотетические вещества со свойствами, которые необходимы для проведения хотя бы теоретических экспериментов называют экзотической материей.

Среди наиболее распространенных видов экзотической материи ученые выделяют космические струны — предположительный объект, который имеет диаметр мельчайшей частицы (примерно диаметр протона), но может растягиваться на огромные космические расстояния в десятки парсек (один парсек = 3,26 световых лет или 30,8 трлн км).

Поскольку эти струны очень плотные и даже несколько их миллиметров могут весить миллионы тонн, некоторые физики полагают, что они могут стабилизировать черные дыры и кротовые норы, позволяя нам моментально перемещаться на огромные расстояния в пространстве-времени.

Похожая по свойствам экзотическая материя с отрицательной массой или энергией фигурирует практически во всех теориях о гиперпространственных прыжках и движении на околосветовых скоростях.

Еще одной экзотической материей, которая потенциально может объяснить природу гравитации на субатомных уровнях и помочь ученым найти отличия между материей и антиматерией является позитроний. По сути это экзотический атом, который состоит из позитрона и электрона одновременно.

Несмотря на то, что частицы экзотической материи существуют лишь в теории, поскольку они не состоят из барионов — привычных нам мельчайших частиц, которые невозможно расщепить, — в 2016 году Нобелевскую премию по физике вручили как раз за исследования экзотической материи.

Британец Дункан Хэлдейн и американцы Дэвид Тулесс и Майкл Костерлитц получили награду за изучение необычных фаз и состояний вещества. К примеру, охладив вещество до температур, близких к абсолютному нулю, физики смогли достичь электрической сверхпроводимости и других экзотических свойств.

Делитесь материалом




Радіо НВ
X