Спросите Итана: где случился Большой взрыв?

 Из всех обсуждаемых концепций и тем, Большой взрыв – наиболее противоречивое понятие. Конечно, это довольно старая научная теория, присутствующая с 1940-х годов, и уже с 1960-х годов существует несметное количество доказательств в её пользу. Идея проста: у Вселенной было начало. У неё был день рождения. Был день, у которого не было «вчера», когда материя, излучение и расширяющаяся, охлаждающаяся Вселенная, известная нам, не существовали до определённого момента времени. И всё же мы здесь. Что вызывает шквал вопросов у любого пытливого ума. Один из наших читателей как раз обладает таким умом, и он хочет узнать:

Есть ли теории или эксперименты, способные вычислить и доказать наше расположение в космосе относительно точки Большого взрыва? Я думаю, что поскольку с позиции расположения нашей планеты наши возможности наблюдений весьма ограничены, будет непросто определить кривизну пространства. Почему мы думаем, что Большой взрыв произошёл в некоторой точке трёхмерного пространства? Почему мы считаем, что Вселенная – это сфера?

Это очень хорошие вопросы, и все они демонстрируют распространённое представление людей о Вселенной. Но верны ли эти представления?

Эволюция крупномасштабных структур Вселенной

Мы часто считаем, что Большой взрыв был реальным взрывом. И Вселенная действительно напоминала огромный, энергичный и расширяющийся огненный шар на самых ранних её этапах.
• Она была заполнена частицами и античастицами самых разных типов, а также излучением.
• Всё это расширялось и все частицы, античастицы и кванты излучения отдалялись друг от друга.
• Всё это охлаждалось и замедлялось при расширении.

Это и вправду походит на взрыв. На самом деле, если бы вы смогли перенестись в эти первые моменты, и каким-то образом были защищены от всей этой энергии, там даже был бы и звук, который вы можете услышать благодаря следующему видео.

Но я неспроста использую слово «расширение» вместо «взрыва», описывая это явление. Взрыв – это то, что происходит в одной точке пространства, из которой разлетаются осколки. Сверхновая – это взрыв; всплеск гамма-лучей – это взрыв; детонация бомбы – это взрыв; срабатывание гранаты – это взрыв.

Представление художника о взрыве сверхновой 1993J в галактике M81

Но Большой взрыв – это не взрыв [по-английски Большой взрыв, Big Bang, дословно значит «Большой хлопок» – прим. перев.]. Говоря о «горячем Большом взрыве», мы имеем виду самый первый момент, в который Вселенную можно описать, как состояние, содержащее частицы, античастицы и излучение. С этого момента Вселенная начала расширяться и охлаждаться согласно законам Общей теории относительности, и мы пошли по пути уничтожения антиматерии, формирования атомных ядер и нейтральных атомов, и в итоге звёзд, галактик и видимых сегодня крупномасштабных структур. Ключ к первому вопросу в том, чтобы точно понять, что делала Вселенная в этот момент: в момент, который мы впервые можем описать, опираясь на эту платформу горячего Большого взрыва.

Насколько нам известно, никакой особенной начальной точки не было. Не было «источника», из которого началась Вселенная. Все доказательства говорят о контринтуитивном, но от этого не менее истинном заключении: Большой взрыв случился везде одновременно. Доказательств тому предостаточно, и даёт их нам сама Вселенная. Вселенная, судя по крупномасштабным структурам, скоплениям галактик, внешнему виду послесвечения Большого взрыва, средней плотности участков космоса размером более нескольких сотен миллионов световых лет, и т.п., даёт нам два важных наблюдаемых факта. Её свойства повсюду одинаковы, и выглядит она одинаково по всем направлениям. Физически говоря, Вселенная гомогенна и изотропна.

Такие характеристики Вселенной нельзя получить при помощи взрыва – и точка. При взрыве самые быстро движущиеся осколки оказываются самыми удалёнными, но и самыми рассеянными в пространстве. Чем больше расстояние, тем меньше там должно было быть галактик на единицу объёма – но во Вселенной это не так. В случае взрыва можно было бы явно указать его начальную точку. Вселенная работает так, что эта точка была бы всего в нескольких миллионах световых лет от Млечного пути, на границе локальной группы. Статистически, шансы на наличие такой точки, с учётом присутствия во Вселенной более 170 млрд галактик, в 100 раз хуже, чем на победу в лотерее Powerball или Mega Millions.

То, что Вселенная гомогенна и изотропна, говорит о том, что Большой взрыв случился в один момент, примерно 13,8 млрд лет назад, и во всех местах одинаково. Но мы не можем видеть его во всех местах. Мы видим его только там, где находимся. Наш обзор ограничен. Поэтому вы часто можете встретить подобные иллюстрации: как наша Вселенная видится с нашей точки, с нами в центре.

Представление художника об обозримой Вселенной на логарифмической шкале

Но это не значит, что Вселенная – сфера! Мы, на самом деле, можем измерить форму Вселенной, и наложить на неё некоторые ограничения. Если вы выйдете наружу и отправите двух ваших друзей в двух разных направлениях так, что вы сможете видеть друг друга, вы втроём образуете треугольник. Каждый из вас сможет измерить видимый угол между двумя другими. После этого вы можете сложить эти углы и вы получите 180? — именно такова сумма углов треугольника.

Любого треугольника в плоском пространстве.

Но пространство не обязано быть плоским! Оно может обладать отрицательной кривизной, как поверхность седла, когда сумма углов будет меньше 180?. Оно может быть искривлено положительно, как поверхность сферы, когда сумма углов будет больше 180?. Если вы встанете на экваторе в Южной Америке, один ваш друг встанет на экваторе в Африке, а второй – на Северном полюсе, вы обнаружите, что разница углов будет большой. Сумма углов окажется ближе к 270?, чем к 180?. В космосе друзей у нас нет, но у нас есть нечто не хуже: флуктуации фонового излучения. В зависимости от кривизны пространства они должны выглядеть совершенно по-разному.

Мы провели наблюдения, и обнаружили нечто удивительное: Вселенная, насколько мы можем судить, плоская. Очень, очень плоская. Последние данные с экспериментов Planck и Sloan Digital Sky Survey говорят о том, что если Вселенная и искривлена – положительно или отрицательно – то это заметно на масштабе по меньшей мере в 400 больше, чем наблюдаемая нами часть Вселенной. А мы можем видеть её часть диаметром в 92 млрд световых лет.

Так что, Большой взрыв случился везде одновременно, 13,8 млрд лет назад, и наша Вселенная пространственно плоская согласно лучшим нашим измерениям. Большой взрыв произошёл не в какой-то точке, и мы можем судить об этом по крайней изотропности и гомогенности Вселенной. Эти свойства настолько точны, что когда мы натыкаемся на неоднородность с отклонением в 0,01% от среднего значения, мы уже считаем, что что-то не так. Так что, если вы будете утверждать, что Большой взрыв случился именно там, где находитесь вы, и вы стоите прямо в центре всего происходящего, никто вам не возразит. Просто все и всё, во всей Вселенной может сказать о себе то же самое.