Вопрос «что было до Большого взрыва?» звучит очень естественно. Если у Вселенной было начало, хочется мысленно сделать ещё один шаг назад и спросить, что происходило раньше. Проблема в том, что именно здесь привычная логика времени начинает давать сбой.
Современная космология довольно подробно описывает развитие ранней Вселенной, но не располагает подтверждённым ответом на вопрос о том, существовало ли вообще физическое «до». Есть несколько гипотез, однако ни одна из них пока не доказана наблюдениями.
Что на самом деле описывает теория Большого взрыва
Большой взрыв часто представляют как гигантский взрыв вещества в уже существовавшей пустоте. Это не совсем верная картина.
Космологическая модель описывает Вселенную, которая около 13,8 миллиарда лет назад находилась в чрезвычайно горячем и плотном состоянии, а затем расширялась и остывала. Вместе с этим расширялось само пространство — у Большого взрыва не было обычного центра, из которого материя разлеталась по заранее существовавшей Вселенной.
Чем дальше физики прослеживают эту эволюцию назад, тем выше становятся температура и плотность. Но в какой-то момент применяемые нами теории перестают давать надёжное описание происходящего.
Поэтому Большой взрыв — не обязательно доказанный «первый момент всего существующего». Надёжнее говорить, что это граница очень раннего этапа истории Вселенной, который современная космология пытается восстановить по наблюдаемым следам.
Источник: NASA
Почему так трудно ответить, что было до Большого взрыва
Если просто продолжать классические уравнения общей теории относительности назад, можно прийти к сингулярности — состоянию, в котором плотность и кривизна пространства-времени формально становятся бесконечными.
Но физики обычно рассматривают такую сингулярность не как хорошо описанный реальный объект, а как признак того, что применяемая теория достигла границы своих возможностей.
На чрезвычайно малых масштабах должны становиться важными квантовые эффекты. Общая теория относительности хорошо описывает гравитацию и устройство пространства-времени, а квантовая механика — микромир. Полной проверенной теории квантовой гравитации, объединяющей эти описания для самых ранних состояний Вселенной, пока нет.
Именно поэтому нельзя просто «отмотать фильм» до нулевой секунды, а затем посмотреть предыдущий кадр.
Могло ли само время начаться вместе со Вселенной
Один из возможных ответов состоит в том, что привычного «до» вообще не существовало.
Если время является частью пространства-времени нашей Вселенной, вопрос о событиях до его появления может оказаться некорректным. Часто эту идею объясняют аналогией: спрашивать, что было раньше начала времени, может быть похоже на вопрос «что находится севернее Северного полюса?».
В таком случае Большой взрыв нельзя представить как событие, случившееся в определённый момент уже существовавшего времени. Само понятие времени в привычном смысле возникает вместе с ранней Вселенной.
Но это не установленный экспериментальный факт. Это один из способов интерпретировать границу, к которой приводят современные космологические модели.
Космическая инфляция: что наука может сказать о самых ранних моментах
В современных моделях ранней Вселенной важную роль играет инфляция — чрезвычайно быстрый этап расширения в первые доли секунды.
Инфляционная теория помогает объяснить несколько наблюдаемых особенностей Вселенной, в том числе её крупномасштабную однородность и происхождение небольших первичных неоднородностей, из которых позднее выросли галактики и их скопления.
При этом инфляция не даёт окончательного ответа на главный вопрос. NASA прямо отмечает: учёные пока не знают, что предшествовало инфляции и что именно её вызвало.
То есть даже если удаётся продвинуть описание истории Вселенной ближе к её ранней стадии, вопрос «а что было ещё раньше?» никуда не исчезает.
Источник: NASA
Какие гипотезы предлагают физики
Отсутствие подтверждённого ответа не означает, что физика остановилась. Существует несколько моделей, пытающихся описать состояние, которое могло предшествовать горячей ранней Вселенной.
Квантовое происхождение Вселенной
В некоторых подходах самое начало рассматривается как квантовый процесс. Здесь привычные понятия пространства, времени и причинности могут работать совсем не так, как в повседневном мире.
К этой области относится, в частности, модель Хартла — Хокинга, в которой ранняя Вселенная описывается таким образом, что обычная временная граница начала исчезает.
Циклическая Вселенная
Другие модели предполагают, что Большой взрыв мог быть не абсолютным началом, а переходом между разными этапами существования космоса.
В циклических сценариях расширение может быть частью повторяющегося процесса. Тогда нашей горячей ранней Вселенной предшествовало бы другое состояние.
Большой отскок
В некоторых моделях квантовой космологии классическая сингулярность заменяется «отскоком». Вместо бесконечного сжатия возникает предельное состояние, после которого начинается расширение.
Если такая картина верна, Большому взрыву могла предшествовать сжимающаяся фаза Вселенной.
Мультивселенная
Есть и сценарии, в которых наблюдаемая нами Вселенная является лишь одной областью гораздо более крупной структуры. В таком случае наш Большой взрыв мог обозначать начало именно нашей области пространства, а не всего существующего.
Все эти идеи интересны, но важно не перепутать теоретическую возможность с установленным фактом. Пока ни одна из них не получила решающего наблюдательного подтверждения.
Что мы действительно можем увидеть
Непосредственно увидеть Большой взрыв телескопами невозможно. Самый древний свет, доступный наблюдениям, — реликтовое излучение.
Оно возникло примерно через 380 тысяч лет после начала расширения, когда Вселенная достаточно остыла и стала прозрачной для света. До этого вещество находилось в состоянии горячей плазмы, через которую фотоны не могли свободно распространяться.
Поэтому реликтовое излучение служит своеобразной фотографией очень молодой Вселенной. Миссия ESA Planck исследовала мельчайшие неоднородности этого излучения и тем самым позволила проверять модели ранней космологии.
Но даже эта «фотография» сделана намного позже тех процессов, о которых идёт речь в вопросе о происхождении Вселенной. Информацию о ещё более ранних эпохах приходится искать по косвенным следам.
Источник: ESA
Значит, наука не знает, что было раньше?
На сегодняшний день — да, окончательного ответа нет.
Наука достаточно уверенно описывает эволюцию Вселенной после её очень раннего горячего состояния и располагает наблюдательными подтверждениями этой картины: расширением пространства, реликтовым излучением и другими данными.
Но вопрос о том, что предшествовало самым ранним доступным физике этапам, остаётся открытым.
Возможно, существовала другая фаза Вселенной. Возможно, начало было квантовым переходом. Возможно, привычного понятия «раньше» в этой точке вообще нельзя применять. Пока все эти варианты находятся на уровне моделей и гипотез.
И именно поэтому вопрос «что было до Большого взрыва?» так интересен: он находится почти точно на границе между тем, что современная физика уже умеет описывать, и тем, для чего ей ещё не хватает полноценной теории.