Большой взрыв часто описывают как взрывное рождение Вселенной — уникальный момент, когда пространство, время и материя возникли из ничего. Но что, если это вовсе не было началом? Что, если наша Вселенная возникла из чего-то другого — чего-то более привычного и в то же время радикального?
В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review D, мы с коллегами предлагаем поразительную альтернативу. Наши расчёты показывают, что Большой взрыв не был началом всего, а скорее стал результатом гравитационного сжатия или коллапса, который сформировал очень массивную чёрную дыру, за которым последовал отскок внутри неё.
Эта идея, которую мы называем «чёрная дыра — Вселенная», предлагает радикально иной взгляд на происхождение космоса, но при этом основана исключительно на известных законах физики и наблюдениях.
Стандартная космологическая модель
Сегодняшняя стандартная космологическая модель, основанная на Большом взрыве и космической инфляции (идее о том, что ранняя Вселенная быстро увеличилась в размерах), оказалась на удивление успешной в объяснении структуры и эволюции Вселенной. Но за всё приходится платить: она оставляет без ответа некоторые из наиболее фундаментальных вопросов.
Во-первых, модель Большого взрыва начинается с сингулярности — точки бесконечной плотности, где законы физики нарушаются. Это не просто технический сбой; это глубокая теоретическая проблема, которая говорит о том, что мы на самом деле не понимаем начала.
Чтобы объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, физики ввели короткую фазу быстрого расширения в раннюю Вселенную, называемую космической инфляцией, подпитываемую неизвестным полем со странными свойствами. Позже, чтобы объяснить наблюдаемое сегодня ускоренное расширение, они добавили ещё один «таинственный» компонент — тёмную энергию.
Вкратце, стандартная модель космологии работает хорошо, но только путём введения новых компонентов, которые мы никогда не наблюдали напрямую. Тем временем остаются открытыми самые основные вопросы: откуда всё взялось? Почему всё началось именно так? И почему Вселенная такая плоская, гладкая и большая?
Новая модель
Наша новая модель решает эти вопросы под другим углом — рассматривая то, что происходит, когда чрезмерно плотная коллекция материи коллапсирует под действием гравитации.
Это знакомый процесс: звёзды коллапсируют в чёрные дыры, которые являются одними из наиболее хорошо изученных объектов в физике. Но что происходит внутри чёрной дыры, за горизонтом событий, откуда ничто не может выбраться, остаётся загадкой.
В 1965 году британский физик Роджер Пенроуз доказал, что при очень общих условиях гравитационный коллапс должен привести к сингулярности. Этот результат, расширенный покойным британским физиком Стивеном Хокингом и другими, лежит в основе идеи о том, что сингулярности — вроде той, что была при Большом взрыве — неизбежны.
Идея помогла Пенроузу получить долю Нобелевской премии по физике 2020 года и вдохновила Хокинга на написание мирового бестселлера «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр». Но есть одно но. Эти «теоремы о сингулярности» основаны на «классической физике», которая описывает обычные макроскопические объекты. Если мы включим эффекты квантовой механики, которая управляет крошечным микрокосмосом атомов и частиц, как мы должны это делать при экстремальных плотностях, история может измениться.
В нашей новой статье мы показываем, что гравитационный коллапс не обязательно должен заканчиваться сингулярностью. Мы находим точное аналитическое решение — математический результат без приближений. Наши расчёты показывают, 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, отскакивая наружу в новую фазу расширения.
Но как же теоремы Пенроуза запрещают такие исходы? Всё дело в правиле, называемом квантовым принципом исключения, которое гласит, что никакие две одинаковые частицы, известные как фермионы, не могут занимать одно и то же квантовое состояние (например, угловой момент или «спин»).
И мы показываем, что это правило не позволяет частицам в коллапсирующей материи бесконечно сжиматься. В результате коллапс останавливается и обращается вспять. Отскок не только возможен — он неизбежен при определённых условиях.
Важность открытия
Важно отметить, что этот отскок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применяется к крупным объектам, таким как звёзды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики — без экзотических полей, дополнительных измерений или спекулятивной физики.
То, что появляется на другой стороне отскока, удивительно похоже на нашу собственную Вселенную. Ещё более удивительно то, что отскок естественным образом порождает две отдельные фазы ускоренного расширения — инфляцию и тёмную энергию — движимые не гипотетическими полями, а физикой самого отскока.
Эта модель не только решает технические проблемы стандартной космологии, но и может пролить новый свет на другие глубокие тайны в нашем понимании ранней Вселенной — такие как происхождение сверхмассивных чёрных дыр, природа тёмной материи или иерархическое формирование и эволюция галактик.
Эти вопросы будут изучены будущими космическими миссиями, такими как Arrakhis, которая будет изучать диффузные объекты, такие как звёздные гало (сферическая структура из звёзд и шаровых скоплений, окружающих галактики) и галактики-спутники (меньшие галактики, которые вращаются вокруг более крупных), которые трудно обнаружить с помощью традиционных телескопов с Земли, и поможет нам понять тёмную материю и эволюцию галактик.
Эти явления также могут быть связаны с реликтовыми компактными объектами — такими как чёрные дыры — которые образовались во время фазы коллапса и пережили отскок.
Вселенная чёрной дыры также предлагает новый взгляд на наше место в космосе. В этой системе вся наша наблюдаемая Вселенная находится внутри внутренней части чёрной дыры, образовавшейся в какой-то более крупной «родительской» Вселенной. Мы не особенные, не больше, чем Земля была в геоцентрической картине мира, которая привела Галилея (астронома, предложившего идею о том, что Земля вращается вокруг Солнца в XVI–XVII веках) к домашнему аресту.
Мы не являемся свидетелями рождения всего из ничего, а скорее наблюдаем продолжение космического цикла — одного, сформированного гравитацией, квантовой механикой и глубокими взаимосвязями между ними.
Примечание: эта статья перепубликуется из The Conversation под лицензией Creative Commons. Читайте оригинальную статью.