3 Великі вибухи, яких не було

Чи стався Великий вибух? Чи знайшов космічний телескоп Джеймс Вебб докази проти теорії Великого вибуху? Якщо астрофізики впевнені, що він стався, чому вони вважають, що Всесвіт народився внаслідок квантової флуктуації? І який стосунок це має до темної матерії? Астрономи розглядають вивчення туманності Оріона як важливий інструмент для розуміння обставин, що супроводжували народження Сонячної системи.

Я не можу звинувачувати читачів за те, що вони були збиті з пантелику нещодавніми новинними повідомленнями про Великий вибух. Стаття "Великого вибуху не сталося", яка поклала їм початок, досить погана. Але деякі спростування також не зовсім вірні. Проблема в тому, що автори плутають ідеї в астрофізиці і неправильно використовують термін "Великий вибух". Дозвольте мені прояснити ситуацію.

Давайте назвемо біг-бум початком Всесвіту. Це те, що, на думку більшості людей, означає цей вираз. Великий вибух - те, що ми знаходимо в математиці загальної теорії відносності Ейнштейна, якщо екстраполювати поточне розширення Всесвіту в минуле.

Рівняння кажуть, що матерія та енергія у Всесвіті стають дедалі щільнішими та гарячішими. Зрештою, приблизно через 13,7 мільярда років, настане момент, коли щільність і температура не стануть нескінченними величинами. Ми не можемо екстраполювати далі в минуле, тому справедливо сказати, що ця подія, якби вона відбулася, і була початком Всесвіту.

Біг-бум іноді точніше називають сингулярністю Великого вибуху. Цей термін вийшов з ужитку, почасти тому, що він незграбний, а також тому, що я не знаю нікого, хто б вважав сингулярність фізично реальною.

Її поява майже напевно говорить нам про те, що теорія Ейнштейна руйнується в екстремальних умовах. Якщо щільність енергії стає дуже великою, то простір і час дуже сильно викривляються, і в кінцевому підсумку стають важливими квантові ефекти простору-часу.

Щоб описати все правильно, нам знадобиться теорія квантової гравітації - теорія квантових властивостей простору і часу, - якої у нас немає. Якби вона у нас була, вона, ймовірно, усунула б сингулярність.

Саме це відбувається в усіх інших теоріях, у яких з'являються сингулярності: вони є математичними артефактами, що виникають унаслідок використання теорії, де вона більше не повинна застосовуватися.

Прикладом може слугувати сингулярність у кривизні поверхні краплі води, коли вона відривається від крана. Ця незвичайність зникає, якщо взяти до уваги, що вода складається з молекул. Те, що раніше було точкою нескінченної кривизни, тепер є молекулою, як і всі інші.

Теорія Ейнштейна руйнується приблизно за 10-43 секунди до математичної сингулярності, за часів Планка. Оскільки фізики не вірять у сингулярність, фраза "Великий вибух" позначає подію, яка замінює сингулярність у майбутній теорії квантової гравітації. І час Планка теж. Давайте назвемо її саме так - Подія Великого вибуху.

У нас немає жодних доказів того, що подія Великого вибуху відбулася. Ми не можемо зазирнути в минуле так далеко.

Найраніше пряме спостереження, яке у нас є, - формування космічного мікрохвильового фону, який утворився приблизно через 400 000 років після гіпотетичної події.

Будьте обережні: якщо ви наберете в Гуглі час утворення мікрохвильового фону, то отримаєте відповідь, що він утворився 13,7 мільярда років тому, - це буде виглядати так, ніби він утворився під час Великого вибуху. Але це тому, що цифра округлена.

Космічний телескоп Джеймса Вебба нічого не говорить нам про подію Великого вибуху.

Ми добре розуміємо, як поводиться матерія за густини енергії, що дещо перевищує ту, за якої мало утворитися мікрохвильове тло, тому ми віримо, що наші екстраполяції в часі правильні, доки не досягнемо густини енергії, яка приблизно відповідатиме технічним вимогам Великого адронного коллайдера.

А це приводить нас до 10-12 секунд до гіпотетичної події. Ми нічого не знаємо про те, як поводиться матерія при більш високій щільності енергії - навіть щільність у нейтронних зірках нижча.

Отже, 10-12 секунд - це не так багато з погляду людини, але щоб дістатися від цього моменту до події Великого вибуху, нам однаково доведеться екстраполювати густину енергії більш ніж на 50 порядків. Про яку в нас є тільки припущення.

Це означає, що така подія відбулася тільки в нашій математиці. У нас немає спостережень, які могли б підтвердити її реальність.

Ба більше, я думаю, що в нас ніколи не буде спостережень, які б підтверджували факт Великого вибуху. Деякі з моїх колег у галузі астрофізики можуть із цим не погодитися. Але як би там не було, принаймні на цей момент ми просто не знаємо, як почався Всесвіт.

Те, що ми не маємо доказів на користь (або проти) події Великого вибуху, є причиною того, що у фізиків є велика кількість різноманітних гіпотез про початок космосу.

Крім події Великого вибуху, наш Всесвіт міг народитися з чорної діри; або він міг виникнути внаслідок зіткнення мембран вищих вимірів; або запуститися як велика мережа в негеометричній фазі; або циклічно розвиватися протягом століть, як запропонував Роджер Пенроуз.

Найпопулярнішою зараз є ідея про те, що вона народилася внаслідок флуктуації квантового поля. Усі ці ідеї, альтернативні події Великого вибуху, можливі тому, що ми не можемо зазирнути в минуле досить далеко, щоб відрізнити їх одна від одної.

Телескоп Джеймса Вебба - дивовижний інструмент. Він розглядає молоді зірки і галактики, які утворилися задовго після космічного мікрохвильового фону, приблизно через 200 мільйонів років. Це вражає, але нічого не говорить нам про подію Великого вибуху або його альтернативи.

Проблема вже давно полягає в тому, що термін "Великий вибух" використовується для позначення розширення Всесвіту в цілому, а не створення Всесвіту зокрема.

Однак у нас дві окремі наукові гіпотези. У нас є переконливі докази того, що Всесвіт розширюється (назвемо це Великим вибухом №2), і ми впевнені в його історії приблизно до моменту електрослабкого фазового переходу, що й досліджує Великий адронний колайдер.

На сьогоднішній день у нас немає жодних доказів початку Всесвіту, незалежно від того, був Великий вибух Подією чи чимось іншим.

Історично першим доказом розширення Всесвіту стало спостереження Едвіна Габбла про те, що світло від інших галактик систематично зміщується в червоний бік, вказуючи на те, що вони віддаляються від нас.

Хоча це і було першим доказом, вирішальним доказом на користь розширення Всесвіту стало відкриття космічного мікрохвильового фону, що виключило конкуруючу гіпотезу про "стабільний стан" Всесвіту.

Як це часто буває, гіпотеза стійкого стану була потім переглянута з урахуванням нових даних, але сьогодні вона вважається повністю фальсифікованою, причому не тільки мікрохвильовим фоном, а й тим, що ми знаємо про формування структур у Всесвіті.

Плутанини додає лише те, що розширення Всесвіту часто змішують із певною моделлю розширення Всесвіту. У більшості випадків це конкордантна модель Всесвіту, яку інколи також називають стандартною моделлю космології або ΛCDM-Λ - космологічна постійна та CDM - холодна темна матерія (назвемо її Великий вибух №3).

Однак існує низка альтернативних моделей, які призводять до дуже схожого розширення, наприклад, MOND, що використовує рівняння, відмінні від рівнянь загальної теорії відносності, але досить схожі, щоб відтворити розширення.

Таким чином, зараз термін "Великий вибух" відноситься до трьох різних гіпотез: Подія Великого вибуху, тобто початкова сингулярність, або те, що її замінює (немає доказів); розширення Всесвіту (надзвичайно сильні докази); конкретна модель розширення Всесвіту (здебільшого сумісна з доказами, але наразі у певному суперечливій ситуації з даними).

Я не бачила і не чула, щоб фізики на семінарах або в доповідях використовували термін "теорія Великого вибуху" стосовно розширення Всесвіту. Якщо вони говорять про розширення Всесвіту, вони або просто говорять "розширення Всесвіту", або уточнюють, яку модель розширення вони використовують.

Хоча телескоп Вебб нічого не може розповісти нам про Подію і не пролив світло на те, що Всесвіт розширюється, він може розповісти нам, чи сумісне утворення ранніх галактик з конкордантною моделлю, зокрема, з гіпотезою темної матерії.

Це пов'язано з тим, що виникнення галактик із темною матерією повинно відбуватися повільно і поступово. Не можна очікувати, що молоді галактики будуть великими. У сценарії з модифікованою гравітацією, навпаки, галактики ростуть набагато швидше - і в цьому разі можна очікувати появи великих галактик у ранні періоди.

Перші попередні дані з телескопа Джеймса Вебба, схоже, свідчать про наявність великих галактик у ранні часи, що є проблемою для більшості моделей.

Однак наразі похибки цих даних великі, і цілком можливо, що найближчими місяцями ситуація зміниться. Але, принаймні, наразі астрофізики схвильовані і засмучені тим, що дані, схоже, створюють проблеми для моделей розширення.

У статті "Великого вибуху не було", що привертає увагу, Ерік Лернер ставить під сумнів той факт, що Всесвіт взагалі розширюється. Його статтю опублікував у серпні Інститут мистецтва та ідей, британська організація, яка, за моїм власним досвідом, віддає перевагу дебатам, а не науковій строгості.

Лернер виступає проти "космологічного істеблішменту і цензури", вказуючи на труднощі в публікації своєї альтернативної теорії.

За звичайних обставин стаття, в якій викидається наукова теорія, в одну мить опустилася б на дно інтернету.

Але через плутанину навколо терміна "Великий вибух" претензії Лернера набрали обертів. Наприклад, він пише, що "зображення кричуще і неодноразово суперечать ... гіпотезі Великого вибуху, згідно з якою Всесвіт почався 14 мільярдів років тому в неймовірно гарячому, щільному стані та відтоді розширюється". Але знімки Вебба нічого подібного не доводять.

Далі, з есе стає зрозуміло, що він нападає не на подію Великого вибуху (яку можна обґрунтовано поставити під сумнів), а на розширення Всесвіту. І оскільки це правда, що телескоп Webb надав дані, що суперечать конкордантній моделі, читач (або редактор), який не знає різниці, може вважати статтю Лернера розумною.

Але статті, що спростовують теорію Лернера, самі потрапляють у пастку термінів. Я не можу не погодитися із заголовком "Ні, знімки космічного телескопа Джеймса Вебба не спростовують Великий вибух". Однак будь-яке пояснення тільки вносить плутанину.

"Як виник Всесвіт?" - починається стаття. "Переважна теорія свідчить, що все суще почалося з Великого вибуху. Двома словами, теорія передбачає, що все, скрізь і відразу раптово спалахнуло життям... Теорія Великого вибуху наразі є найкращою моделлю народження нашого Всесвіту".

Із самого початку стаття змішує розширення Всесвіту з подією виникнення світу. Пізніше в статті читач дізнається:

"Одна з головних причин, чому теорія Великого вибуху встояла, - космічний мікрохвильовий фон".

Але КМФ виник задовго після події Великого вибуху, якщо, звичайно, подія мала місце. КМФ - це всього лише свідчення розширення Всесвіту, і саме по собі воно не є достатнім доказом для виділення конкретної моделі розширення.

Я не особливо здивована цим фіаско, оскільки багато років тому помітила термінологічну плутанину. Її можна усунути за допомогою одного правила. Якщо ви хочете говорити про розширення Всесвіту або про конкретну модель цього розширення, то просто поясніть, що ви маєте на увазі.

І залиште фразу "Великий вибух" для Події Великого вибуху. Я розумію необхідність замінити математику словами, коли пишеш для неспеціалістів, і "Великий вибух" - це, звісно, термін, що запам'ятовується.

Але ми не повинні замінювати кілька різних математичних понять одним і тим самим словом. Використання чіткої термінології йде на користь науковому спілкуванню і ускладнює поширення псевдонауки.

Джерело: nautil.us