Popular science
Physics
January 2018 28

Инфляция и Большой взрыв: не взрыв, а расширение

Original author: Matt Strassler
Translation
Что было до Большого взрыва? Период инфляции (если он на самом деле был). Что нам известно о том, что было перед инфляцией?

Ничего.

Конечно, существует множество рассуждений, подкрепляемых научным подходом, на тему того, что случилось до того. Но их много, они противоречат друг другу, и на сегодня у нас нет данных, которые могли бы помочь узнать, какие из этих рассуждений истинны. Нет даже ведущей теории, вероятность которой большая часть учёных оценивала бы как наибольшую. Просто об этом ничего не известно. Может даже оказаться, что процесс инфляции продолжается и поныне, и он идёт в большей части Вселенной, останавливаясь иногда в небольших её участках (больших, по сравнению с наблюдаемой нами частью Вселенной, но небольших по сравнению со Вселенной в целом).

А после инфляции был горячий Большой взрыв. В предыдущей статье, разъясняющей путаницу, связанную с Большим взрывом, было объяснено, что Вселенная расширяется не «во что-то» — такого понятия, как «снаружи» у неё нет. Теперь давайте рассмотрим поближе сам Большой взрыв, который был на самом деле не «взрывом», а расширением пространства, несмотря на всё то, что част описывают бесчисленные книги, видеоролики, статьи и заявления. Давайте посмотрим на различия между взрывом чего-либо в пространстве и расширением самого пространства.


Рис. 1

На рис. 1 изображена ситуация до и после взрыва. Изначально в данном примере есть некое пространство с семенем посередине, роль которого играет бомба, граната, звезда, иная форма сохранённой энергии. Как пространство, так и семя существуют заранее. Затем что-то происходит и семя взрывается. Содержимое семени претерпевает некоторое преобразование — к примеру, происходит химическая или ядерная реакция — с выделением энергии. Это создаёт огромную температуру и давление внутри семени. Силы, связанные со сжатой температурой и давлением заставляют внутренности семени расширяться наружу в виде горячего шара из вещества. Энергия вырывается из него с высокой скоростью, с температурой, изначально равной той, что была внутри семени, а затем давление и температура постепенно падают, пока внутренности семени расширяются наружу в уже существовавшее вокруг него пространство, в котором оно изначально и находилось.

Заметьте, что причиной взрыва стала реакция, создавшая чрезвычайно высокие давление и температуру внутри крохотного региона. Именно дисбаланс между огромными давлением и температурой внутри семени и низкими давлением и температурой снаружи заставляет семя взрываться наружу. И всё, что находилось внутри, с высокой скоростью удаляется от первоначального местоположения. Скорость удаления от начальной точки не может превышать скорости света, поэтому есть ограничения на то, как быстро они могут удаляться друг от друга.

На рис. 2 изображён процесс (который, в принципе, мог идти ещё до наступления момента, изображённого слева) расширения пространства. Между изображением слева и изображением справа пространство увеличилось в два раза, что можно видеть по линиям сетки. Всё, что находится внутри пространства, и удерживается вместе мощными силами — стулья, столы, кошки и люди — не расширяется. Расширяется только пространство, в котором они все находятся. Короче говоря, пространства становится больше, поэтому для объектов внутри него становится больше места.

При этом объекты по сути не двигаются! Их не расталкивает давление или температура, их никто не пинает. Просто пространство между ними и вокруг них растёт, появляется из ниоткуда, и делает расстояние между ними больше, чем раньше. И это увеличение однородно (для однородного расширения). На правом изображении расстояние между кошкой и столом удвоилось, как и расстояние между кошкой и стулом. Вот, что происходит, когда Вселенная удваивает размер.


Рис. 2

Такое изменение пространства возможно по теории гравитации Эйнштейна, но не по более старой теории Ньютона. У Эйнштейна пространство — это не просто место, где всё происходит; это некая вещь сама по себе, способная расти, сжиматься, деформироваться, колебаться и менять форму. (Точнее, всё это совместно делают пространство и время). Рябь пространства-времени называется гравитационными волнами.

Поскольку расширяется пространство, а объекты не двигаются, теория относительности не накладывает ограничений на скорость роста расстояния между объектами, то есть, на скорость появления нового пространства между ними. Расстояние между двумя объектами может увеличиваться быстрее скорости света. Никакого противоречия с теорией относительности нет.

Люди часто говорят, используя неточные и общие фразы, нечто вроде «теория относительности утверждает, что ничто не может двигаться быстрее света». Но слова «ничто» и «двигаться» многозначны, а наука говорит нам о том, что использование неточных слов может привести к проблемам. Слова Эйнштейна, если вы их прочтёте, часто тоже страдают двусмысленностью и их легко понять неправильно, хотя он и пытался говорить точно. Но уравнения Эйнштейна не двусмысленны. Точное утверждение теории относительности состоит в том, что если два объекта проходят мимо друг друга в одном месте пространства, и вместе с одним из них движется наблюдатель, то скорость другого объекта с точки зрения этого наблюдателя не будет больше скорости света. Но это не противоречит тому, что заявляю я: что расстояние между двумя объектами, находящимися в разных местах, может расти быстрее. И это так и будет происходить в равномерно расширяющейся Вселенной, если два объекта будут находиться достаточно далеко друг от друга.

Также заметьте, что причиной расширения Вселенной, в отличие от взрыва, не является температура или давление. Я специально нарисовал обычные объекты, столы и стулья, чтобы вы видели, что по сравнению со взрывом, который повредит или уничтожит нормальные объекты, расширение оставляет их нетронутыми, они просто отдаляются друг от друга. Расширение может происходить в очень горячей вселенной — и на ранних этапах истории нашей Вселенной так и было, во время горячего Большого взрыва. Но расширение может идти и в очень холодной вселенной. Есть подозрение, что такое тоже происходило, во время периода космической инфляции. И, конечно, наша Вселенная сегодня довольно холодная, однако она не просто расширяется, а расширяется с ускорением.

Эра горячего Большого взрыва, на последних стадиях которого мы живём, началась в какой-то момент времени в виде большого участка пространства, наполненного горячим плотным супом из частиц, который сначала очень быстро расширялся и охлаждался, а потом делал это всё медленнее и медленнее, до момента, наступившего несколько миллиардов лет назад. Он не начался в виде точечного объекта, взорвавшегося в пустом пространстве. Как мог горячий Большой взрыв начаться после инфляции, мы рассмотрим в следующих статьях.
+13
11.6k 23
Support the author
Comments 58
Top of the day