Теорія Великого вибуху добре описує процес народження Всесвіту та все, що відбувалось із ним під час подальшої еволюції. Але вона не дає відповідей на багато важливих запитань. І одне з них — що, власне, спричинило Великий вибух? Звідки взялась енергія для нього і де джерело первинної кварк-глюонної плазми, з якої утворилися всі відомі елементарні частинки?
Межа відомої фізики
Як ми вже знаємо, щодо перших доль секунди життя нашого Всесвіту ми можемо поки лише будувати теорії — всі доступні сьогодні артефакти свідчать лише про його пізніші етапи еволюції. Вони, звісно, несуть на собі відбиток перших, проте є тільки непрямими свідченнями тих дивних станів, у яких перебувала матерія в перші моменти свого життя.
Однак, повертаючись у зовсім глибоке минуле, ми зіштовхнемось із серйознішою принциповою проблемою. Вчені мають обмежену змогу вивчати кварк-глюонну плазму на Землі у своїх лабораторіях завдяки прискорювачам частинок. Хоча енергії, на яких частинки стикаються у сучасних прискорювачах (колайдерах), надзвичайно високі, вони все-таки обмежені сучасними технологіями — потужністю полів для розгону, силою спрямовуючих магнітів, розмірами колайдера тощо. У найвідомішому та найпотужнішому пристрої сучасності — Великому адронному колайдері — протони сьогодні зіштовхуються з енергіями 13 тераелектронвольт. «Теплове» зіткнення частинок з такою енергією для Всесвіту було характерне на його першій стомільярдній долі секунди життя. А поведінку матерії на ще вищих енергіях і відповідно на більш ранніх стадіях досі ніхто не досліджував: припущення про них стають усе примарнішими в міру наближення до початку світу.
Учені сподіваються, що існує єдина фундаментальна теорія, здатна описати відразу всі відомі взаємодії у Всесвіті (гравітаційну, електромагнітну, слабку та сильну). Сьогодні, наприклад, ми достеменно не знаємо, який вигляд повинна мати теорія квантової гравітації. Перевірка такої теорії можлива передусім на надвисоких енергіях і густинах матерії, недоступних не лише на Землі, але й узагалі майже ніде в сучасному світі. Дуже ранній Всесвіт мав би бути чудовою лабораторією для дослідження таких теорій великого об’єднання, як їх заведено називати.
За оцінками космологів, на 10-36 — одній секстильйонній від однієї секстильйонної — секунди після народження Всесвіту енергія частинок (близько 1015 ГеВ) у ньому була достатня, аби відбулося об’єднання всіх сил, окрім гравітації. Це приблизно в кілька тисяч раз більше, ніж енергія найбільш високоенергетичної коли-небудь зареєстрованої частинки (такі приходять до нас у вигляді космічних променів). Якщо спробувати перевести цю енергію у звичну нам «температуру», то отримаємо 1028 градусів Кельвіна — одиничка і 28 нулів. Зайве й казати, що осягнути нашою обмеженою уявою таку температуру неможливо. Щоб гравітаційна сила почала грати значну роль у взаємодіях частинок, енергії повинні бути ще на кілька порядків вищі. Так звані «планківські» величини густини, температури та відстані й часу між взаємодіями, вірогідно, були досягнуті в дуже ранньому Всесвіті — величини, які ламають саму структуру простору-часу. Наприклад, учені вважають, що проміжки часу, коротші за планківський (10-43 с), не можуть існувати. В цей момент часу весь видимий Всесвіт повинен був би вміститись у кульку радіусом 10-37 м — планківську відстань.
Але годі кидатися нулями наліво й направо. Давайте поставимо найважливіше запитання: з чого, власне, постала сама матерія у тому вигляді, в якому ми її знаємо? На сьогодні космологи вважають найбільш ймовірним сценарієм народження всіх відомих частинок із первинного поля. Його ще називають інфлантонним, оскільки воно зумовило космічну інфляцію — гіпотетичний перший етап еволюції нашого Всесвіту.
Проблеми початкових умов і космічна інфляція
Майже одразу після «перемоги» теорії Великого вибуху над іншими альтернативними теоріями еволюції Всесвіту у цій теорії виникло кілька проблем, яким не знаходили пояснень. Найсерйознішою з них, мабуть, можна вважати проблему початкових умов. По-перше, при дослідженнях реліктового мікрохвильового фону космологи зауважили, що ранній Всесвіт був аж надто однорідним. Здавалося б, для газу чи первинної плазми в цьому немає нічого дивного — адже однорідним є газ у вашій кімнаті, чи, наприклад, на поверхні Сонця. Але тут нюанс у масштабах. На момент народження реліктового фону Всесвіт займав об’єм приблизно в тисячу разів менший, ніж сьогодні, його радіус був усього 4 млрд світлових років (проти сьогоднішніх 45). І все ж — вражаючий об’єм! І в усьому цьому об’ємі температура плазми була приблизно однакова. Втім, на той момент наш світ існував надто короткий час, аби газ у різних регіонах зміг прийти в рівновагу між собою: адже швидкість світла, як ви пам’ятаєте, скінченна, і «причинно-зв’язаними» могли бути лише точки на відстанях у кілька десятків тисяч разів менших, аніж тодішній радіус Всесвіту. Як же тоді він став майже ідеально однаковим за такого великого об’єму?
Інфляційний сценарій, розроблений в 1970-80-х роках Аланом Гутом, Андрієм Лінде та Олексієм Старобінським, передбачає наступне пояснення. Всі ці не зв’язані між собою регіони мали контакт раніше, коли Всесвіт був іще меншим. А «рознесло» їх на причинно-незв’язні відстані (космологи кажуть — «за габблівський горизонт») під час космічної інфляції — експоненційного розширення Всесвіту одразу після його народження. Зумовлене воно було присутністю первинного інфлантонного поля. Розширення змінило співвідношення кінетичної та потенціальної енергії поля, що призвело до його розпаду на звичайну матерію та закінчення інфляції. Але за неймовірно короткий час (10-43–10-36 с) Всесвіт збільшив свій об’єм у мільярди мільярдів разів.
Також космічна інфляція розв’язує деякі інші проблеми теорії Великого вибуху — наприклад, неможливість спостереження за деякими екзотичними об’єктами (топологічні дефекти). Усі такі об’єкти були винесені інфляцією за межі спостережного Всесвіту. Втім, ця теорія має також і достатньо авторитетних критиків, серед яких — тепер уже нобелівський лауреат сер Роджер Пенроуз.
Та все ж існує ще одне питання, яке космічна інфляція не вирішує, а, як жартують деякі фізики, сором’язливо ховає під килим. Простими словами його можна сформулювати так: «За чий рахунок цей розкішний бенкет?». Під «бенкетом» тут мається на увазі наш Всесвіт і вся вируюча енергія та матерія, що в ньому присутня. Але ми також знаємо і про невблаганні принципи термодинаміки. Перший ставить перед нами запитання: звідки ця енергія могла взятися? Не дає спокою і друге: що привело Всесвіт у початковий надзвичайно низькоентропійний (малоймовірний) стан? Хто чи що «накрутило» його, наче заводний будильник, аби він міг так довго дзвонити? Можливо, відповіді на ці запитання дає квантове народження нашого світу.
Народження з флуктуації?
Як часто, на вашу думку, вам доводиться зустрічатись із квантовими спонтанними процесами у побуті? Можливо, ви будете здивовані, але повірте — доводиться! Значна частина фотонів, які ми бачимо як світло, була народжена саме у спонтанних переходах електронів зі збуджених енергетичних рівнів до стабільних в атомах і молекулах. Спонтанним можна вважати також квантове тунелювання. А отже — всі радіоактивні розпади є спонтанними квантовими процесами, щодо яких ніколи не можна точно вказати момент, коли вони відбудуться, лише порахувати ймовірність, що це станеться на певному проміжку часу.
У квантовій теорії поля (КТП) особливе місце займають квантові флуктуації. Це теж спонтанні квантові переходи. Згідно з постулатами цієї науки, весь простір заповнений нульовими коливаннями всіх існуючих полів. Таким чином, вакуум, з точки зору КТП — зовсім не порожнє місце. Цим полям властиві флуктуації — короткочасні відхилення від середнього значення (нульового рівня енергії у даному випадку). Відповідно, вакуум постійно бурлить цими маленькими відхиленнями. Вчені називають їх віртуальними частинками через їхнє коротке життя та деякі інші властивості, що відрізняють їх від реальних. Природа, проте, влаштована таким чином, що народження віртуальних частинок «з нічого» не порушує її фундаментальних законів — зокрема, законів збереження енергії. І все ж ці флуктуації мають цілком реальний вплив на світ реальних частинок. Ними зумовлені такі ефекти, як «лембівський зсув» (ледь вловима зміна спектра енергетичних рівнів у атомі водню через взаємодію електрона з віртуальними фотонами), а також ефект Казимира та інші. Та й згадані вище спонтанні переходи в атомах — теж наслідок взаємодії з нульовими коливаннями електромагнітного поля у вакуумі.
Ідея квантового народження Всесвіту полягає в тому, що первинне поле виникло з цього «непустого» вакууму як флуктуація від свого нульового рівня. Так, інфлантонне поле є квантовим, як і всі поля в нашому світі, і йому теж притаманні флуктуації. У якийсь момент часу (якщо ця категорія могла існувати перед народженням Всесвіту) воно перейшло з нульового рівня у збуджений у певній області простору (якщо ця категорія теж могла існувати перед народженням Всесвіту). Однак у цьому випадку теоретикам ще потрібно добряче попрацювати, щоб пояснити, як віртуальна флуктуація стала реальною і набула настільки великого початкового значення, щоб «драйвити» космічну інфляцію та народити всі інші поля після цього.
Чи вдасться коли-небудь знайти строге підтвердження цієї гіпотези? Хтозна… Деякі натяки на її правдивість можна відшукати у характеристиках збурень матерії, які ми спостерігаємо у Всесвіті сьогодні. Вони дещо нагадують збурення, породжені квантовими флуктуаціями. Також є слабка надія вловити прямо чи опосередковано первинні гравітаційні хвилі — фон, аналогічний до реліктового мікрохвильового та нейтринного, про які ви вже знаєте. Ці хвилі були народжені відразу після кінця космічної інфляції і можуть принести багато цікавої інформації про наш світ на цих перших мізерних долях секунди його існування. Що ж до закону збереження енергії, то сучасні космологи вважають, що вся додатна енергія Всесвіту компенсується від’ємною потенціальною енергією гравітаційного притягування матерії, але перевірити це, напевно, теж ніколи не вдасться.
Закінчити цю розповідь хочеться невеликою та приємною для нас несподіванкою. Річ у тім, що ідея про квантове народження Всесвіту була народжена… в Україні! Йдеться про роботу знаменитого фізика-теоретика Петра Фоміна, який 1973 року, працюючи в Інституті теоретичної фізики ім. М. Боголюбова в Києві, вперше показав, що об’єднання принципів Загальної теорії відносності та КТП призводить до явища гравітаційної нестійкості вакууму, а це дає принципову можливість спонтанного квантового народження просторово-замкнутого Всесвіту. Ще одним вченим з України, який значною мірою долучився до цієї теорії, є Олександр Віленкін — всесвітньо відомий фізик-космолог, уродженець Харкова і випускник Харківського університету, який зараз працює у США.
Квантове народження Всесвіту — елегантна, яскрава, як спалах наднової зорі, ідея, яка, все ж таки, потребує подальшого вивчення, дослідження та обмірковування.
Автор: кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник Астрономічної обсерваторії Львівського університету Максим Ціж.
Ця стаття була опублікована у №6(187) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.
