Наша Вселенная не была пустой даже до Большого взрыва

04.12.2024

13 мин

109

Добро пожаловать, друзья!

Когда дело доходит до физической Вселенной, понятие «ничего» может быть действительно возможным только в теории, а не на практике.

Как мы видим Вселенную сегодня, она кажется полной вещей: материи, излучения, антиматерии, нейтрино и даже темной материи и темной энергии, несмотря на то, что мы на самом деле не знаем окончательной, фундаментальной природы последних двух.

Но даже если вы заберете каждый отдельный квант энергии, каким-то образом полностью удалив ее из Вселенной, вы не останетесь с пустой Вселенной.

Независимо от того, сколько вы из нее заберете, Вселенная всегда будет генерировать новые формы энергии.

Имитация распада черной дыры приводит не только к излучению излучения, но и к распаду центральной орбитальной массы, которая поддерживает стабильность большинства объектов. Черные дыры не являются статическими объектами, а скорее изменяются со временем. Однако черные дыры, образованные из разных материалов, должны иметь различную информацию, закодированную на их горизонтах событий, и неясно, кодируется ли эта информация в исходящем излучении Хокинга и каким образом.

Как это возможно?

Как будто сама Вселенная вообще не понимает нашу идею «ничего»; если бы мы удалили все кванты энергии из нашей Вселенной, оставив после себя только пустое пространство, мы бы сразу же ожидали, что Вселенная будет находиться на абсолютном нуле: без каких-либо энергетических частиц где-либо.

Но это совсем не так.

Независимо от того, насколько «пустой» мы искусственно делаем расширяющуюся Вселенную, тот факт, что она расширяется, все равно спонтанно и неизбежно будет генерировать излучение.

Даже произвольно далеко в будущем или до самого горячего Большого взрыва Вселенная никогда не будет по-настоящему пустой. Вот наука о том, почему.

Если вы смотрите все дальше и дальше, вы также смотрите все дальше и дальше в прошлое. Если бы количество галактик, плотность и свойства этих галактик, а также другие космические свойства, такие как температура и скорость расширения Вселенной, не менялись, у вас были бы доказательства того, что Вселенная оставалась постоянной во времени — это не то, что мы видим.

Сегодня в нашей Вселенной совершенно ясно, что пространство совсем не пустое.

Куда бы мы ни посмотрели, мы видим:

звезды,
газ,
пыль,
другие галактики,
скопления галактик,
квазары,
высокоэнергетические космические частицы (известные как космические лучи),
и излучение, как от звездного света, так и оставшееся после самого Большого взрыва.

Если бы в нашем распоряжении были лучшие «глаза», то есть более совершенные инструменты, мы могли бы также обнаружить сигналы, которые, как мы знаем, должны быть где-то там, но которые не могут быть обнаружены с помощью современных технологий.

Мы бы увидели гравитационные волны от каждой массы, которая ускоряется в изменяющемся гравитационном поле.

Мы бы «увидели» все, что ответственно за темную материю, а не просто ее гравитационные эффекты.

И мы увидели бы черные дыры, как активные, так и покоящиеся, а не просто те, которые излучают наибольшее количество излучения.

Большинство пылевых следов, наблюдаемых в нашей галактике, происходят из самой нашей галактики, как показывает эта карта полного неба со спутника «Planck». Однако, когда речь заходит обо всей Вселенной за пределами Млечного Пути, неизвестно, является ли источником неопознанного оптического света невидимые галактики или какой-то другой, возможно, пылеподобный источник.

Все, что мы видим, происходит не просто в статичной Вселенной, а скорее во Вселенной, которая развивается с течением времени.

Что особенно интересно с физической точки зрения, так это то, как развивается наша Вселенная.

В глобальном масштабе структура нашей Вселенной — пространство—время — находится в процессе расширения, то есть, если вы поместите любые две хорошо разделенные «точки» в вашем пространстве-времени, вы обнаружите, что:

правильное расстояние (измеренное наблюдателем в одной из точек) между этими точками,
время прохождения света между этими точками,
и длина волны света, который распространяется из одной точки в другую,

со временем все будет увеличиваться.

Вселенная не просто расширяется, но и одновременно охлаждается в результате расширения.

По мере того, как свет смещается в сторону более длинных волн, он также смещается в сторону более низких энергий и более низких температур; Вселенная была более горячей в прошлом и будет еще более холодной в будущем.

И на протяжении всего этого объекты, обладающие массой и / или энергией во Вселенной, притягиваются друг к другу, скапливаясь и группируясь вместе, образуя огромную космическую сеть.

Согласно современной космологии, Вселенную пронизывает крупномасштабная паутина из темной и обычной материи. В масштабах отдельных галактик и меньше структуры, образованные материей, в высшей степени нелинейны, с плотностями, которые на огромные величины отличаются от средней плотности. Однако в очень больших масштабах плотность любой области пространства очень близка к средней плотности: с точностью примерно до 99,99%. В масштабах, превышающих несколько миллиардов световых лет, никакие структуры никогда не сформируются из-за присутствия и господства в последнее время темной энергии.

Если бы вы могли каким—то образом устранить все это — всю материю, все излучение, каждый отдельный квант энергии — что бы осталось?

В некотором смысле, у вас было бы просто само пустое пространство: все еще расширяющееся, по-прежнему с неизменными законами физики и по-прежнему с невозможностью избежать квантовых полей, которые пронизывают Вселенную.

Это самое близкое, что вы можете получить физически, к истинному состоянию «небытия», и все же в ней все еще есть физические правила, которым она должна подчиняться.

Для физика этой Вселенной удаление чего-либо еще создаст нефизическое состояние, которое больше не описывает космос, в котором мы обитаем.

Это означает, в частности, что то, что мы воспринимаем как «темную энергию» сегодня, все еще существовало бы в этой «Вселенной из ничего», которую мы себе представляем.

Теоретически вы можете взять каждое квантовое поле во Вселенной и привести его к конфигурации с наименьшей энергией.

Если вы сделаете это, вы достигнете того, что мы называем «энергией нулевой точки» пространства, что означает, что из него больше никогда нельзя будет извлечь энергию и использовать для выполнения какой-либо механической работы.

Во Вселенной с темной энергией, космологической постоянной или нулевой энергией квантовых полей нет причин делать вывод, что нулевая энергия на самом деле была бы равна нулю.

В то время как материя и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за ее увеличивающегося объема, темная энергия является формой энергии, присущей самому пространству. По мере создания нового пространства в расширяющейся Вселенной плотность темной энергии остается постоянной.

Фактически, в нашей Вселенной наблюдается конечное, но положительное значение: значение, соответствующее плотности энергии около ~ 1 ГэВ (примерно энергии массы покоя протона) на кубический метр пространства.

Конечно, это чрезвычайно малое количество энергии.

Если бы вы взяли энергию, присущую одному человеческому телу — в основном из массы ваших атомов — и распределили ее так, чтобы плотность энергии была такой же, как у энергии нулевой точки пространства, вы бы обнаружили, что занимаете столько же места, сколько сфера, примерно равная объему Солнца!

В очень далеком будущем, через гугол* лет, Вселенная будет вести себя так, как будто эта энергия нулевой точки — единственное, что в ней осталось.

Все звезды сгорят; останки этих звезд будут излучать все свое тепло и остынут до абсолютного нуля; остатки звезд будут гравитационно взаимодействовать, выбрасывая большинство объектов в межгалактическое пространство, в то время как немногие оставшиеся черные дыры вырастут до огромных размеров.

В конце концов, даже они распадутся под действием излучения Хокинга, и вот тут история действительно становится интересной.

*Подробнее о гугол на сайте Википедии.

Иллюстрация сильно искривленного пространства-времени за пределами горизонта событий черной дыры. По мере приближения к местоположению массы пространство искривляется все сильнее, что в конечном итоге приводит к месту, изнутри которого не может вырваться даже свет: горизонту событий.

Идею о том, что черные дыры распадаются, можно по праву считать самым важным вкладом Стивена Хокинга в науку, но она содержит несколько важных уроков, которые выходят далеко за рамки черных дыр.

У черных дыр есть так называемый горизонт событий: область, где, как только что-либо из нашей Вселенной пересекает эту воображаемую поверхность, мы больше не можем принимать от нее сигналы.

Обычно мы представляем себе черные дыры как объем внутри горизонта событий: область, из которой ничто, даже свет, не может вырваться.

Но если вы дадите этому достаточно времени, эти черные дыры полностью испарятся.

Почему эти черные дыры испаряются?

Потому что они излучают энергию, и эта энергия извлекается из массы черной дыры, преобразуя массу в энергию с помощью уравнения Эйнштейна E = mc².

Ближе к горизонту событий пространство более сильно искривлено — дальше от горизонта событий оно менее искривлено.

Эта разница в кривизне соответствует разногласиям относительно того, какова энергия нулевой точки пространства.

Кто-то, находящийся близко к горизонту событий, увидит, что его «пустое пространство» отличается от «пустого пространства» кого-то, находящегося дальше, и это проблема, потому что квантовые поля, по крайней мере, в том виде, в каком мы их понимаем, непрерывны и занимают все пространство.

Визуализация расчета по квантовой теории поля, показывающего виртуальные частицы в квантовом вакууме. (В частности, для сильных взаимодействий.) Даже в пустом пространстве энергия вакуума отлична от нуля. Если появятся дополнительные частицы или поля сверх того, что предсказывает Стандартная модель, они повлияют на квантовый вакуум и изменят свойства многих величин в сторону от предсказаний Стандартной модели. Однако вклад КХД (Квантовая хромодинамика) не может быть рассчитан возмущающим образом, как это может сделать электромагнетизм.

Главное, что нужно осознать, это то, что если вы находитесь в любом месте за пределами горизонта событий, существует по крайней мере один возможный путь, по которому свет может попасть в любое другое место, которое также находится за пределами горизонта событий.

Разница в нулевой энергии пространства между этими двумя точками говорит нам, как впервые было выведено в статье Хокинга 1974 года, что излучение будет испускаться из области вокруг черной дыры, где пространство искривлено сильнее всего.

Наличие горизонта событий черной дыры является важной особенностью, поскольку это означает, что энергия, необходимая для производства излучения вокруг этой черной дыры, должна поступать из массы самой черной дыры, через E = mc² Эйнштейна.

Хотя некоторые убедительно доказывают, что возможно производить это излучение без горизонта событий.

Кроме того, спектр излучения представляет собой абсолютно черное тело, температура которого определяется массой черной дыры: меньшие массы более горячие, а более тяжелые — более холодные.

Расширяющаяся Вселенная, конечно, не имеет горизонта событий, потому что это не черная дыра.

Однако у нее есть нечто аналогичное: космический горизонт.

Если вы находитесь в любом месте пространства-времени и рассматриваете наблюдателя в другом месте пространства-времени, вы бы сразу подумали: «О, должен быть по крайней мере один возможный путь, по которому может пройти свет, который соединяет меня с этим другим наблюдателем».

Но в расширяющейся Вселенной это не обязательно так.

Вы должны располагаться достаточно близко друг к другу, чтобы расширение пространства-времени между этими двумя точками не препятствовало поступлению излучаемого света.

Во Вселенной, в которой доминирует темная энергия, есть четыре области: одна, где все в ней достижимо, передаваемо и наблюдаемо, другая, где все наблюдаемо, но недостижимо и непередаваемо, третья, где вещи когда-нибудь будут наблюдаемы, но не сегодня, и четвертая, где вещи никогда не будут наблюдаемы. Отмеченные цифры соответствуют нашей общепринятой космологии по состоянию на 2024 год, с границами в 18 миллиардов световых лет, 46 миллиардов световых лет и 61 миллиард световых лет, разделяющих четыре региона. В масштабах ~10 миллиардов световых лет и более Вселенная почти идеально однородна.

В нашей современной Вселенной это соответствует расстоянию примерно в 18 миллиардов световых лет.

Если бы мы излучали свет прямо сейчас, любой наблюдатель в пределах 18 миллиардов световых лет от нас мог бы в конечном итоге получить его; любой, кто находится дальше, никогда не смог бы из-за продолжающегося расширения Вселенной.

Мы можем видеть дальше этого, потому что многие источники света были испущены давным-давно.

Самый ранний свет, который приходит прямо сейчас, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, исходит из точки, которая в настоящее время находится примерно в 46 миллиардах световых лет.

Если бы мы были готовы ждать вечность, мы в конечном итоге получили бы свет от объектов, которые в настоящее время находятся на расстоянии примерно в 61 миллиард световых лет — это предел.

С точки зрения любого наблюдателя существует космологический горизонт: точка, за пределами которой связь невозможна, поскольку расширение пространства не позволит наблюдателям в этих местах обмениваться сигналами после определенного момента времени.

И точно так же, как существование горизонта событий черной дыры приводит к созданию излучения Хокинга, существование космологического горизонта также должно — если должны соблюдаться те же законы физики — создавать излучение.

В этом случае прогноз заключается в том, что Вселенная будет заполнена чрезвычайно низкоэнергетическим излучением, длина волны которого в среднем сопоставима с размером космического горизонта.

Это означает температуру ~10 ^-30 К: на тридцать порядков слабее, чем текущий космический микроволновый фон.

Квантовые флуктуации, присущие пространству, растянутые по Вселенной во время космической инфляции, породили флуктуации плотности, запечатленные в космическом микроволновом фоне, которые, в свою очередь, породили звезды, галактики и другие крупномасштабные структуры во Вселенной сегодня. Это лучшая картина того, как ведет себя вся Вселенная, где инфляция предшествует Большому взрыву и создает его. К сожалению, мы можем получить доступ только к информации, содержащейся внутри нашего космического горизонта, который является частью той же доли одного региона, где инфляция закончилась около 13,8 миллиардов лет назад.

Поскольку Вселенная продолжает расширяться и остывать, в далеком будущем наступит время, когда это излучение станет доминирующим над всеми другими формами материи и излучения во Вселенной; только темная энергия останется более доминирующим компонентом.

Но есть и другое время во Вселенной — не в будущем, а в далеком прошлом — когда во Вселенной также доминировало что-то иное, чем материя и излучение: во время космической инфляции.

До того, как произошел горячий Большой взрыв, наша Вселенная расширялась с огромной и неумолимой скоростью.

Вместо того, чтобы доминировать материей и излучением, в нашем космосе доминировала полевая энергия инфляции: как и сегодняшняя темная энергия, но на много порядков больше по силе и скорости расширения.

Хотя инфляция растягивает Вселенную и расширяет любые уже существующие частицы друг от друга, это не обязательно означает, что температура приближается и асимптотируется к абсолютному нулю в короткие сроки.

Вместо этого это вызванное расширением излучение, как следствие космологического горизонта, должно фактически достигать пика в инфракрасных длинах волн, что соответствует температуре около ~100 К, или достаточно горячей, чтобы вскипятить жидкий азот.

Извне черной дыры вся падающая материя будет излучать свет и всегда будет видна, в то время как ничто из-за горизонта событий не может выйти наружу. Но если бы вы были тем, кто упал в черную дыру, ваша энергия могла бы предположительно возникнуть вновь как часть горячего Большого взрыва в новорожденной Вселенной.

Это означает, что если вы когда-нибудь захотите охладить Вселенную до абсолютного нуля, вам нужно будет полностью остановить ее расширение.

Пока сама ткань пространства имеет ненулевое количество внутренней энергии, она будет расширяться.

Пока Вселенная неуклонно расширяется, будут области, разделенные столь большим расстоянием, что свет, независимо от того, как долго мы ждем, не сможет достичь одной такой области из другой.

И пока определенные области будут недостижимы, у нас будет космологический горизонт в нашей Вселенной и ванна теплового низкоэнергетического излучения, которое никогда не может быть удалено.

Что еще предстоит определить, так это то, приведет ли эта форма космического излучения, как и излучение Хокинга, к тому, что черные дыры в конечном итоге испарятся, к фундаментальному распаду темной энергии нашей Вселенной.

Неважно, насколько ясно вы можете представить себе пустую Вселенную, в которой ничего нет, эта картина просто не соответствует реальности.

Настаивать на том, что законы физики остаются в силе, достаточно, чтобы покончить с идеей действительно пустой Вселенной.

Пока в ней существует энергия — даже нулевой энергии квантового вакуума достаточно — всегда будет какая-то форма излучения, которую невозможно удалить.

Вселенная никогда не была полностью пустой, и пока темная энергия не распадется полностью, она никогда ею не станет.