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 (полный препринт здесь), мы с коллегами предлагаем поразительную альтернативу. Наши расчёты показывают, что Большой взрыв был не началом всего, а скорее результатом гравитационного коллапса, который сформировал очень массивную чёрную дыру, за которым последовал отскок внутри неё.
Чёрная дыра и Вселенная
Эта идея, которую мы называем «вселенной чёрной дыры», предлагает радикально иной взгляд на происхождение космоса, но при этом полностью основана на известных физических законах и наблюдениях.
Сегодняшняя стандартная космологическая модель, основанная на Большом взрыве и космической инфляции (идея о том, что ранняя Вселенная быстро увеличивалась в размерах), оказалась на удивление успешной в объяснении структуры и эволюции Вселенной. Но за это приходится платить: она оставляет без ответа некоторые из наиболее фундаментальных вопросов.
Например, 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 ранней Вселенной, называемую космической инфляцией, подпитываемую неизвестным полем со странными свойствами. Позже, чтобы объяснить наблюдаемое сегодня ускоренное расширение, они добавили ещё один «таинственный» компонент: тёмную энергию.
Новая модель
Наша новая модель решает эти вопросы под другим углом — рассматривая то, что происходит, когда чрезмерно плотное скопление 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 — такие как сингулярность Большого взрыва — 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 нашли 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 (такое как угловой момент или «спин»).
И мы показываем, что это правило не позволяет частицам в коллапсирующей материи бесконечно сжиматься. В результате коллапс останавливается и меняется на обратный. Отскок не только возможен — он неизбежен при определённых условиях.
Ключевые моменты
Важно отметить, что этот отскок происходит полностью в рамках общей теории относительности, которая применяется к таким крупным объектам, как звёзды и галактики, в сочетании с основными принципами квантовой механики — без необходимости экзотических полей, дополнительных измерений или спекулятивной физики.
То, что появляется на другой стороне отскока, удивительно похоже на нашу Вселенную. Ещё более удивительно то, что отскок естественным образом приводит к двум отдельным фазам ускоренного расширения — инфляции и тёмной энергии — движимым не гипотетическими полями, а физикой самого отскока.
Проверяемые предсказания
Одним из сильных сторон этой модели является то, что она делает проверяемые предсказания. Она предсказывает небольшое, но ненулевое количество положительной пространственной кривизны — это означает, что Вселенная не совсем плоская, а слегка искривлённая, как поверхность Земли.
Это просто реликт начальной небольшой избыточной плотности, которая запустила коллапс. Если будущие наблюдения, такие как текущая миссия «Евклид», подтвердят небольшую положительную кривизну, это будет убедительным свидетельством того, что наша Вселенная действительно возникла в результате такого отскока.
Модель также делает предсказания о текущей скорости расширения Вселенной, что уже было подтверждено.
Эта модель не только устраняет 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.