Думаєте, теорія Великого вибуху — це серіал і щось на науковому? Час вникнути глибше. Публікуємо уривок з нового українського видання «Необхідне і достатнє» — воно про складні речі простими словами

Навесні 2024 року виходить друком книга Маркуса Чоуна «Необхідне і достатнє. Ключ до розуміння найважливіших ідей науки». Чоун — науковець, письменник і консультант з космології в журналі New Scientist. Його книги «Прорив» і «Сходження гравітації» визнано науковими книгами 2017 року за версією Sunday Times. У новій книзі автор пояснює складні наукові питання просто. Він зосереджується на «центральній концепції» кожного відкриття, яка допоможе дійсно розібратися в його суті. «Бабель» з дозволу видавництва «Лабораторія» публікує уривок із книги «Необхідне і достатнє» — про появу Всесвіту, теорію Великого вибуху і темну матерію.

Є одна безсумнівна й основна теорія Великого вибуху. Згідно з нею наш Усесвіт почав своє існування в гарячій, щільній фазі. Відтоді він розширюється, а галактики формуються з охололих уламків і космічного сміття. Однак із плином років прогнози цієї теорії почали суперечити спостереженням, і тому її суттєво модифікували, додавши низку нових компонентів. Три основні компоненти — темна матерія, темна енергія та космічна інфляція.

Темна матерія відрізняється від антиматерії. Вона не випромінює видимого світла, але має гравітацію і потрібна для пояснення самого нашого існування. Проблема в тому, що самій лише гравітації забракло б проміжку часу в 13,82 мільярда років із моменту Великого вибуху для того, щоб зібрати докупи матерію для подальшого утворення галактик, подібних до нашого Чумацького Шляху. Кількість темної матерії в шість-сім разів перевищує масу видимої матерії. Така значна кількість потрібна для посилення гравітації та прискорення процесу формування галактик. Ніхто не знає, що таке темна матерія, але це можуть бути первісні чорні діри, що утворилися у вогняній кулі самого Великого вибуху, або ж це — дотепер невідомі субатомні частинки.

Другим аспектом, що скріплює базову теорію Великого вибуху, є темна енергія. Вона потрібна, тому що 1998 року виявили, що процес розширення Всесвіту прискорюється. Очікувалося, що розширення мало б сповільнюватися через гальмівний ефект гравітації, який змушує кожну галактику притягуватися до інших галактик. Темна енергія становить близько 70% маси-енергії Всесвіту. Вона невидима, заповнює весь простір і діє як відштовхувальна гравітація.

Саме ця відштовхувальна гравітація і прискорює космічне розширення. Якщо темна матерія — це загадка, то темна енергія це загадка у квадраті. Якщо використати для підрахунку енергії космічного вакууму квантову теорію (наш найкращий опис субмікроскопічного світу атомів та їхніх частинок), то вона видає просто шалений результат. Це значення прогнозує кількість енергії, що на одиницю зі 120 нулями перевищує фактичні спостереження астрономів. Це найбільша розбіжність між прогнозами та спостереженнями в історії науки. Очевидно, що ми щось упускаємо!

Третім компонентом, що скріплює базову теорію Великого вибуху, є космічна інфляція. Це — надшвидке розширення, яке відбулося в першу частку секунди існування Всесвіту. Воно потрібне тому, що температура космічного фонового мікрохвильового випромінювання, по суті, однакова, хай у який напрямок нічного неба ви поглянете. Але якщо ми уявимо розширення Всесвіту й прокрутимо весь процес назад, як фільм у зворотному напрямку, то побачимо, що ті частини Всесвіту, які сьогодні мають однакову температуру, не контактували одна з одною поблизу від Великого вибуху. Отже, після Великого вибуху ніщо не могло встигнути заповнити простір між ними, навіть якби це щось подорожувало зі швидкістю світла. Отже, якщо одна ділянка охолоджувалася швидше за іншу, то тепло не встигало б переходити з гарячої ділянки в холодну, щоб вирівняти температуру.

Проблема полягає в тому, що космічне мікрохвильове фонове випромінювання не повинно мати скрізь однакову температуру, і все ж таки температура всюди однакова. Але цю загадку можна вирішити, якщо припустити, що на початку свого існування Всесвіт був набагато меншим, ніж ми наївно припускали. Ділянки, які, за нашими підрахунками, були надто далеко одна від одної, тоді були б у тісному контакті, й тому їхня температура могла б вирівнятися. Звичайно, якщо Всесвіт на початку свого існування був набагато меншим, то він мав би розширюватися набагато швидше, щоб за 13,82 мільярда років досягти свого теперішнього розміру. Таке надшвидке розширення називається інфляцією, і його можна порівняти з вибухом водневої бомби. Тепер, коли інфляція вже вичерпала свій імпульс, ми можемо спостерігати повільніше розширення Габбла, яке можна порівняти з вибухом звичайного динаміту.

Уважають, що рушійною силою космічної інфляції став незвичайний, високоенергетичний стан вакууму. Згідно із квантовою теорією, космічний вакуум ніколи не буває порожнім, а навпаки, кипить енергією через так звані квантові флуктуації: субатомні частинки та їхні античастинки виникають на найкоротші миті, перш ніж знову зникнути. Високоенергетичний, або інфляційний, вакуум, у якому народився Всесвіт, містив відштовхувальну гравітацію. Вона змусила його розширюватися. Але під час цього процесу створювався ще більш високоенергетичний вакуум. Уявіть, що ви тримаєте між долонями пачку банкнот і, розводячи долоні в сторони, бачите, як зʼявляються нові банкноти. Саме так поводився інфляційний вакуум.

Більше вакууму означало більше відштовхування, тому інфляційний вакуум розширювався дедалі швидше. Але інфляційний вакуум був внутрішньо нестабільним. Випадковим способом, по всій його довжині й ширині, деякі частини розпадалися на звичний, знайомий нам вакуум. Уявіть собі бульбашки, що утворюються в морі, яке постійно розширюється. І коли це сталося, величезна енергія інфляційного вакууму мала кудись подітися; вона пішла на створення матерії та нагрівання її до шаленої температури. Вона пішла на створення всесвітів Великого вибуху. Виявляється, що ми живемо в одній із таких бульбашок Великого вибуху в інфляційному Всесвіті, який постійно розширюється. З такого ракурсу очевидно, що Великий вибух не був одноразовою подією. Великі вибухи спалахують, як петарди, по всьому інфляційному вакуумі, який невпинно розширюється.

Перевага інфляції полягає в тому, що для її запуску потрібна тільки невеличка жменька матерії, можливо, навіть лише 1 кілограм. Усе інше походить від енергії вакууму. Недарма фізики часто називають інфляцію «абсолютно безплатним обідом». Звичайно, ви спитаєте: а звідки взявся той 1 кілограм маси? Як не дивно, квантова теорія дає змогу створювати матерію абсолютно з нічого!

Хоча інфляція і надає пояснення того, що відбувалося до розширення Великого вибуху, вона не могла тривати вічно. Тобто вона мала розпочатися в якийсь момент. Тому у фізиків досі залишається складна проблема, яку намагалась обійти теорія стаціонарного Всесвіту: що відбувалося раніше? Ситуація погіршується тим, що вони на руках мають лише теорію Великого вибуху з трьома доволі довільними компонентами, які тримають її докупи. Усе це занадто далеко від тих елегантних теорій, яким так часто надає перевагу природа. Є сильна підозра, що існує більш глибока, більш фундаментальна космологічна теорія, яка має обʼєднати інфляцію, темну матерію та темну енергію в більш привабливу, цілісну сутність.

Як і Всесвіт, «Бабель» постійно розширюється і охоплює нові теми. Підтримайте нас донатом: 🔸 у гривні, 🔸 у криптовалюті, 🔸 Patreon, 🔸 PayPal: paypal@babel.ua