Физики должны признать: не на все вопросы в этой Вселенной мы найдем ответ

Один из самых главных вопросов о нашей Вселенной — это вопрос о том, откуда все пошло. Когда мы обнаружили, что гигантские спирали в небесах — это галактики, не особо отличающиеся от нашего Млечного Пути, мы впервые начали понимать масштабы воспринимаемого. Эти далекие «островки Вселенной» находятся не в Млечном Пути: это собрания миллиардов или триллионов звезд, разделенных миллионами или миллиардами световых лет в космосе.

Когда мы обнаружили, что чем дальше от нас галактика, тем быстрее она покидает нашу перспективу, перед нами открылась любопытная вещь, которая согласуется с общей теорией относительности: возможно, это не галактики удаляются от нашего местоположения, а сама ткань пространства расширяется. Если так, то Вселенная должна не только расширяться, но и остывать, а длина волны света должна растягиваться до все более низких и низких энергий с течением времени. Кроме того, мы можем экстраполировать это не только вперед, но и назад: во времена, когда Вселенная была меньше.

Если взглянуть в этом направлении, мы увидим, что Вселенная была плотнее, горячее, расширялась быстрее и была более компактной. В самой ранней юности Вселенная была настолько энергичной, что нейтральные атомы разрывались на части, а еще до того не могли сформировать даже отдельные атомные ядра.

Такая картинка — Большой Взрыв — была подтверждена обнаружением реликтового излучения, космического микроволнового фона, измерениями его спектра и флуктуаций, а также открытием первичных элементов, оставшихся с тех пор. Но как бы заманчиво ни было пройти весь путь назад к чрезвычайно горячему и плотному состоянию, к сингулярности, это просто невозможно в нашей Вселенной.

Видите ли, есть несколько серьезных проблем, которые возникают, если вы попытаетесь пройти весь путь обратно так далеко:

• Вселенная не расширялась бы бесконечно, не коллапсировала бы тут же, не позволила сформироваться звездам или галактикам, если бы изначальная скорость расширения и плотность энергии не были идеально сбалансированы.
• Во Вселенной были бы разные температуры в разных направлениях — чего мы не наблюдаем — если бы что-то не привело к равномерному распределению температуры.
• Вселенная была бы наполнена высокоэнергетическими реликтами, которых никогда не находили, как следствие произвольной экстраполяции обратно в прошлое.

И опять же, когда мы наблюдаем Вселенную, мы видим звезды и галактики; у нее одна температура во всех направлениях; не видно никаких высокоэнергетических реликтов.

Решением этих проблем стала теория космической инфляции, которая заменила идею сингулярности периодом экспоненциального расширения пространства и которая предписала такие изначальные условия, что и Большого Взрыва быть не могло. Кроме того, инфляция сделала шесть прогнозов того, что мы должны наблюдать в нашей Вселенной:

• Идеально плоскую Вселенную.
• Вселенную с флуктуациями в масштабах больших, чем мог бы преодолеть свет.
• Вселенную с максимальной температурой, которая не будет произвольно высокой.
• Вселенную, флуктуации которой были адиабатическими, или равную энтропию везде.
• Вселенную, спектр флуктуаций которой имел чуть меньше, чем масштабно инвариантную природу (n_s < 1).
• Наконец, Вселенную с определенным спектром флуктуаций гравитационной волны.

Первый из них был подтвержден, шестой пока все еще ищут.

Следующим логическим вопросом о нашем происхождении будет, конечно, откуда взялась инфляция? Было ли это состояние вечным относительно прошлого (то есть не имело происхождения и существовало всегда) до момента окончания и создания Большого Взрыва? Было ли у этого состояния начало, когда оно возникло из неинфляционного состояния пространства-времени спустя некоторое конкретное время в прошлом? Или оно пребывало в цикличном состоянии, когда время было замкнуто в петлю?

Сложно в этом всем то, что нет ничего, что мы могли бы наблюдать в нашей Вселенной, что позволило выбрать из этих трех вариантов один. Во всех, кроме самых надуманных, моделях инфляции (и кроме тех, что мы исключили), на нашу Вселенную повлияли только последние 10^(-33) секунд инфляции или около того. Экспоненциальный характер инфляции стирает любую информацию, которая родилась до нее, отделяя ее от всего, что мы можем наблюдать, выдувая ее за пределы нашей наблюдаемой Вселенной.

Но и то, что нам осталось в виде наблюдаемой Вселенной, огромно: 46 миллиардов световых лет в радиусе, 10¹² галактик, 10²⁴ звезд, 10⁸⁰ атомов и порядка 10⁹⁰ фотонов. Но эти цифры, хотя и астрономические, конечны и не дают нам никакой информации о том, что произошло во Вселенной до этой крошечной последней доли секунды инфляции. Мы можем сделать теоретические расчеты, чтобы попытаться выдавить еще толику предположений, но все они будут зависеть от выбранной модели. За исключением нескольких конкретных моделей, которые оставили бы наблюдаемые следы в нашей Вселенной (большинство нет), мы никак не можем узнать, как — или вообще если — Вселенная получила свое начало.

Общий объем информации, доступный нам во Вселенной, ограничен, а вместе с ним и объем знаний, которые мы можем получить о ней. Впрочем, еще много предстоит изучить, еще многого наука не знает. Но некоторых вещей мы, скорее всего, не узнаем никогда. Вселенная может быть бесконечна, но наши знания о ней никогда таковыми не станут.

Этан Зигель