Существовало ли начало у времени и пространства, или Вселенная расширяется вечно? Традиционная модель Большого взрыва предполагает наличие сингулярности в прошлом, однако современные космологические теории и математические модели заставляют ученых переосмыслить эту концепцию. Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирает, как новые физические исследования пытаются обойти концепцию начала времени и найти лазейки для вечного существования космоса.
🌌 Традиционный взгляд на Большой взрыв и его допущения 0:00
Привычная история начала Вселенной гласит, что космическое пространство равномерно расширяется во всех направлениях. Если запустить этот процесс в обратную сторону, то в определенный момент вся материя окажется сжата в бесконечно малую точку с бесконечной плотностью — сингулярность, знаменующую начало времени. Этот вывод логически следует из описания расширяющейся Вселенной, основанного на общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Однако современные представления о космосе ставят под сомнение неизбежность такой точечной сингулярности.
Чтобы понять, было ли у Вселенной начало, необходимо определить, существовала ли так называемая прошлая сингулярность — момент, когда все точки пространства находились в одной точке при $T = 0$. Первые решения уравнений общей теории относительности, предложенные Александром Фридманом и Жоржем Леметром в 1910-х и 1920-х годах, давали утвердительный ответ. Но эти модели опирались на фундаментальное допущение о том, что Вселенная идеально однородна и гладка во всех направлениях. На практике это не так: космос содержит неоднородности, без которых не смогли бы сформироваться галактики.
Для объяснения наблюдаемой крупномасштабной гладкости современной Вселенной ученые используют концепцию космической инфляции. Инфляция представляет собой период экстремального экспоненциального расширения в самые первые мгновения после Большого взрыва. Позже физики пришли к выводу, что этот процесс мог быть вечным: инфляция прекращается лишь в отдельных областях, создавая изолированные «пузырьковые Вселенные», подобные нашей, в то время как окружающее пространство-время продолжает бесконечно расти. Ведущий отмечает, что если эта вечная инфляция продолжается бесконечно в будущее, она могла бы длиться бесконечно и в прошлое, избавляя космос от необходимости иметь начало.
🧭 Сингулярность координат против физической реальности 2:50
Для точного анализа прошлого физикам необходимо выбрать систему координат пространства-времени и проследить ее линии назад во времени. Проблема возникает, когда параметры системы координат обращаются в бесконечность — такие точки и называют сингулярностями. В стандартной космологии Большого взрыва сингулярность в прошлом означает, что все пути пересекаются и не могут быть продолжены дальше, что интерпретируется как отсутствие пространства и времени до этого момента. Однако в физике известны примеры, когда сингулярность не означает физический конец пространства-времени, как это происходит в черных дырах.
При рассмотрении простейшего типа черной дыры через метрику Шварцшильда математические координаты устремляются в бесконечность в двух местах:
- В самом центре черной дыры, где возникает истинная сингулярность кривизны и бесконечное искривление пространства-времени.
- На горизонте событий, где координата времени «взрывается», создавая видимость границы.
Как подчеркивает ведущий, интерпретировать горизонт событий как физический конец пространства-времени неверно: падающий объект не отскакивает от него, а свободно проходит внутрь. Чтобы устранить бесконечность на горизонте событий, достаточно сменить систему координат, например, перейдя к координатам Эддингтона — Финкельштейна. Такие сингулярности называют координатными. Они аналогичны схождению линий широты на полюсах сферической карты Земли.
Использование более сложных инструментов, таких как диаграммы Пенроуза, позволяет математически расширить пространство-время за горизонт событий, открывая гипотетические зеркальные вселенные и белые дыры. При этом центральная сингулярность черной дыры остается физической — через нее невозможно провести ни один луч света, и пространство-время там действительно прекращает свое существование.
📏 Геодезическая неполнота и теорема BGV 5:37
Чтобы строго разграничить координатные и физические сингулярности, физики используют инструмент, называемый геодезической неполнотой. Геодезическая линия — это кратчайший путь сквозь пространство-время, описывающий движение объектов в гравитационном поле. Свет движется по нулевым геодезическим, на которых собственное время для самого путешественника не течет. Если геодезическую линию невозможно проследить дальше в прошлое или будущее, она упирается в тупик — это и есть точка геодезической неполноты, означающая буквальный конец карты пространства-времени. Именно с помощью этого принципа Роджер Пенроуз доказал неизбежность физических сингулярностей внутри черных дыр.
Другим надежным признаком истинного конца пространства-времени является стремление кривизны к бесконечности, что указывает на бесконечную силу гравитационного поля независимо от выбранной системы координат. Применяя эти методы к масштабам всей Вселенной, ученые долгое время приходили к выводу, что космос обязан иметь начало: все геодезические линии при движении назад во времени сходятся в одной точке. Этот вывод оставался в силе даже с учетом моделей космической и вечной инфляции.
Долгое время подобные математические доказательства требовали соблюдения слабого энергетического условия, исключающего существование отрицательной плотности массы. Поскольку вблизи сингулярности физика становится экстремальной, ученым хотелось избавиться от этого ограничения. В 2003 году физики Алан Гут, Арвинд Борде и Александр Виленкин сформулировали теорему BGV, которая доказала прошлую геодезическую неполноту без привязки к энергетическим условиям. Единственным их допущением было то, что средняя скорость расширения Вселенной на протяжении всей истории оставалась положительной. Из теоремы BGV следует вывод: любая в среднем расширяющаяся Вселенная не могла расширяться вечно и должна иметь границу в прошлом.
🔄 Альтернативные сценарии: новые исследования сингулярностей 9:33
Возникает ключевой вопрос: является ли граница в прошлом, постулируемая теоремой BGV, истинным физическим началом Вселенной, или же это лишь координатная сингулярность, аналогичная горизонту событий черной дыры? Ответ зависит от того, становится ли кривизна пространства-времени бесконечной на этой границе. В исследовании, опубликованном физиками Газаль Гешниджани, Эриком Лингом и Квентином Пием, к различным моделям Вселенной был применен строгий тест на кривизну.
Авторы работы обнаружили, что сингулярность в прошлом обязательна далеко не для всех сценариев развития космоса:
- Вселенные, которые начали расширяться после предшествующей фазы сжатия (циклические или отскакивающие модели), могут не иметь прошлой сингулярности.
- Вселенные, развившиеся из предшествующего статического состояния, также потенциально свободны от сингулярности в начале времени.
Ведущий подчеркивает, что данные альтернативные сценарии зачастую нарушают энергетические условия общей теории относительности, что ставит под вопрос их физическую реализуемость. По сути, новое исследование подтверждает классическое правило: чтобы избежать начала Вселенной, необходимо в той или иной степени нарушить законы общей теории относительности Эйнштейна. В большинстве случаев выводы ученых согласуются с теоремой BGV — исключительно расширяющиеся Вселенные имеют начало. Однако исследователи выявили один уникальный случай, способный обойти теорему BGV.
Чисто экспоненциальное расширение инфлирующей Вселенной в прошлом стремится к нулевому размеру, но никогда не достигает его, формируя плато. Теорема BGV утверждает, что даже такая Вселенная должна страдать от геодезической неполноты в прошлом, образуя границу. На диаграммах Пенроуза эта граница выглядит как нижние диагональные края. Традиционно считалось, что нулевые геодезические невозможно продлить за эти края, но новое исследование показало, что существует тип пространства-времени, способный расширить эту область.
Наша Вселенная хорошо описывается метрикой Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (FLRW), представляющей собой плоский гладкий расширяющийся космос. Если добавить к нему экспоненциальное расширение (в виде инфляции или темной энергии), метрику FLRW можно рассматривать как подмножество более масштабного пространства де Ситтера. Ученые продемонстрировали, что участок пространства FLRW нашей Вселенной может быть лишь сегментом этого огромного пространства де Ситтера. Если нулевые геодезические способны пересекать эту границу и уходить в более широкое пространство де Ситтера, то прошлая граница превращается из реального физического тупика в обычную координатную сингулярность без бесконечной кривизны.
🪵 Проблема «неоднородности» и квантовая гравитация 13:42
Несмотря на заманчивость модели расширяемого пространства-времени, ведущий призывает относиться к ней с осторожностью. Чтобы этот сценарий реализовался, переход нашей секции Вселенной в глобальное пространство де Ситтера должен быть идеально гладким. Это возможно только в том случае, если экспоненциально ускоряющийся компонент (космологическая константа) полностью доминировал над любыми флуктуациями плотности на самых ранних этапах существования Вселенной.
В реальности же ситуация выглядит иначе:
- Если первичные флуктуации плотности были бесконечно малы, пространство-время действительно можно продлить в прошлое.
- Наличие любых значимых неоднородностей плотности мгновенно блокирует возможность расширения, превращая переход в жесткую физическую сингулярность кривизны, перед которой ничего существовать не могло.
Поскольку в нашей Вселенной гарантированно присутствовали флуктуации плотности на самых ранних этапах (иначе в космосе не возникли бы галактики, звезды и планеты), лазейка для устранения Большого взрыва закрывается. Иронично, что та самая «комковатость» и неоднородность материи, которую Александр Фридман и его коллеги проигнорировали в своих первых простых моделях, в итоге делает реальное физическое существование Большого взрыва и начала времени гораздо более вероятным.
По оценке автора видео, текущим научным консенсусом остается утверждение, что у Вселенной, скорее всего, было начало во времени. Полное разрешение этой загадки пока скрыто в тайнах инфляционной космологии и требует создания полноценной теории квантовой гравитации, поскольку на подходе к точке бесконечной плотности все известные нам законы физики полностью теряют силу. Тем не менее, ведущий считает поразительным сам факт того, что с помощью чистого разума и математики человечество способно находить обоснованные ответы на столь фундаментальные вопросы о зарождении пространства и времени.
