Глава 3 Гипотезы о происхождении Вселенной

Первоначальная сингулярность (большой взрыв)

Здравый смысл подсказывает, что если Вселенная расширяется, значит, когда-то она должна была быть сжатой. С другой стороны, модели Фридмана дают, что в некий момент времени характерные размеры Вселенной были равны нулю. Значение R = 0 лежит где-то в районе 1020 миллиардов лет назад (время зависит от выбранной топологии). Поскольку R определяет масштаб расстояний между любыми двумя галактиками, то в момент R = 0 все галактики должны были быть собраны в одной точке. Доводя эти рассуждения до крайности, следует считать, что весь теперешний объём пространства был сжат в ничто, а плотность материи была бесконечно большой. Такая точка в общей теории относительности называется сингулярностью. Однако в условиях сингулярности, при бесконечной плотности вещества уравнения общей теории относительности уже не могут адекватно описывать физические процессы. Возможно, даже, в таких условиях теряет силу и пространственно-временное описание.

Если пространство-время при сингулярности не может существовать, то момент времени R = 0 во фридмановских моделях соответствует моменту, когда пространство-время впервые возникает. Поэтому наличие в теории фридмановской сингулярности привело к широко распространённому представлению о том, что начало расширения и представляет собой рождение ("сотворение") Вселенной. На самом деле сингулярность с точки зрения современной науки есть понятие, наиболее близкое к "акту творения". Если сингулярность на самом деле имела место, то мы не в состоянии продолжить ход физических рассуждений на более ранний этап существования Вселенной. Иначе говоря, до начала расширения Вселенной не могло быть ничего, что имело бы физическое отношение (согласно современным представлениям) к наблюдаемой Вселенной.

Если модели Фридмана принимать буквально, то не только пространство-время, но и вся материя во Вселенной должна начать своё существование в момент, соответствующий сингулярности.

Важной чертой такой картины рождения мира является то, что здесь одновременно возникает как материя, так и пространство-время.¹⁴

Альтернативы гипотезы первоначальной сингулярности

Согласно одной из гипотез, Вселенная начала расширяться хаотически и беспорядочно, а затем, под действием некоторого механизма диссипации (затухания) возникла определённая упорядоченность. Такое предположение о полном первичном хаосе в противовес полной первичной симметрии привлекательно тем, что здесь не требуется "творить" Вселенную в каком-либо строго определённом состоянии. Если учёным удастся подыскать подходящий механизм затухания, то это позволит согласовать с наблюдаемым теперь видом Вселенной весьма обширный круг начальных условий.

Одна из наиболее распространённых гипотез о механизме диссипации - это гипотеза рождения частиц и античастиц из энергии, которую дают приливные эффекты в гравитационном поле. Частицы и античастицы рождаются искривлённым «пустым» пространством (аналогично случаю пространства, искривлённого чёрной дырой), и пространство реагирует на такое рождение уменьшением кривизны. Чем сильнее искривлено пространство-время, тем интенсивнее происходит рождение частиц и античастиц. В неоднородной Вселенной такие эффекты должны были всё выравнивать, создавая состояние однородности. Возможно, даже, что вся материя во Вселенной возникла именно таким путём, а не из сингулярности. Такой процесс не требует рождения материи без антиматерии, как в первоначальной сингулярности. Трудность этой гипотезы, однако, состоит в том, что пока не удалось найти механизма разделения материи и антиматерии, который не позволял бы большей их части снова аннигилировать.

С одной стороны, существование неоднородностей могло бы нас избавить от сингулярности, но Джордж Эллис и Стивен Хоукинг при помощи математических моделей показали, что при учёте некоторых весьма правдоподобных положений о поведении материи, при больших давлениях нельзя исключить существование хотя бы одной сингулярности, даже если допустить отклонения от однородности.

Поведение анизотропной и неоднородной Вселенной в прошлом вблизи сингулярности могло быть очень сложным, и здесь очень трудно строить какие либо модели. Проще воспользоваться моделями Фридмана, которые предсказывают поведение Вселенной от рождения до гибели (в случае сферической топологии). Хотя отклонения от однородности и не избавляют нашу Вселенную от сингулярности в пространстве-времени, тем не менее, возможно, что большая часть имеющейся на сегодняшний день материи Вселенной не попадала в эту сингулярность. Такого рода взрывы, когда материя, имеющая сверхвысокую, но не бесконечную плотность, появляется по соседству с сингулярностью, были названы "скулёжем". Однако, для выполнения теоремы Хоукина-Эллиса требуется, чтобы энергия и давление оставались положительными. Нет никакой гарантии, что при сверхвысоких плотностях материи эти условия выполняются.¹⁵

Есть предположение, что квантовые эффекты, но уже не в материи, а в пространстве-времени (квантовая гравитация), которые становятся очень существенными при высоких значениях кривизны пространства-времени, могли бы предотвратить исчезновение Вселенной в сингулярности, вызывая, например, "отскок" материи при достаточно большой плотности. Однако, ввиду отсутствия удовлетворительной теории квантовой гравитации, рассуждения не дают чётких выводов.

Если принять гипотезу "скулёжа" или квантового "отскока", то это означает, что пространство и время существовали и до этих событий.

В настоящее время большинство учёных принимают первоначальную сингулярность, как физическое выражение "акта творения Вселенной". Отчасти верно сравнение первоначальной сингулярности с сингулярностью внутри чёрной дыры, но материя не коллапсирует в сингулярность, а выбрасывается из неё.

Практически невозможно заглянуть в прошлое дальше, чем на 105 лет, поскольку до этого момента космологическое вещество было не прозрачно для излучения.