Големият взрив често се описва като взривното раждане на Вселената - единствен момент, в който са се появили пространството, времето и материята. Но какво, ако това изобщо не е било началото? Ами ако нашата Вселена е възникнала от нещо друго - нещо по-познато и същевременно радикално? В нова статия, публикувана във Physical Review D, учени предлагат поразителна алтернатива. Изчисленията им показват, че Големият взрив не е бил началото на всичко, а по-скоро резултат от гравитационен срив или колапс, при който се е образувала много масивна черна дупка - последван от отскок в нея.
Повече за новата теория
Тази идея, която наричат Вселена на черната дупка, предлага коренно различен възглед за космическия произход, но се основава изцяло на известната физика и наблюдения. Днешният стандартен космологичен модел, основан на Големия взрив и космическата инфлация (идеята, че ранната Вселена бързо е увеличила размерите си), е изключително успешен в обяснението на структурата и еволюцията на Вселената.
Още: Откритие пренаписва историята на Вселената: Първичната светлина не съществува, какво изобщо виждаме?
От една страна, моделът на Големия взрив започва със сингулярност - точка с безкрайна плътност, в която законите на физиката се нарушават. Това не е просто техническа грешка; това е дълбок теоретичен проблем, който предполага, че всъщност изобщо не разбираме началото.
За да обяснят едромащабната структура на Вселената, физиците въвеждат в ранната Вселена кратка фаза на бързо разширяване, наречена космическа инфлация, задвижвана от неизвестно поле със странни свойства. По-късно, за да обяснят наблюдаваното днес ускорено разширяване, те добавят още един „мистериозен“ компонент: тъмната енергия. Накратко, стандартният модел на космологията работи добре - но само чрез въвеждането на нови съставки, които никога не сме наблюдавали пряко. Междувременно най-основните въпроси остават отворени: откъде се е появило всичко? Защо е започнало по този начин? И защо Вселената е толкова плоска, гладка и голяма?
Нов модел
Новият модел разглежда тези въпроси от различен ъгъл - като гледа навътре, а не навън. Вместо учените да започнат с разширяващата се Вселена и да се опитат да проследят как е започнала, те разглеждат какво се случва, когато твърде гъста съвкупност от материя се срине под въздействието на гравитацията. Това е добре познат процес: звездите се свиват в черни дупки, които са сред най-разбираемите обекти във физиката. Но какво се случва вътре в черната дупка, отвъд хоризонта на събитията, от който нищо не може да избяга, остава загадка.
Още: Млечният път е по-древен, отколкото се смяташе
През 1965 г. британският физик Роджър Пенроуз доказва, че при много общи условия гравитационният колапс трябва да доведе до сингулярност. Този резултат, разширен от покойния британски физик Стивън Хокинг и други, е в основата на идеята, че сингулярностите - като тази при Големия взрив - са неизбежни. Идеята помага на Пенроуз да получи част от Нобеловата награда за физика за 2020 г. и вдъхновява световния бестселър на Хокинг „Кратка история на времето“: От Големия взрив до черните дупки. Но има и едно предупреждение. Тези „теореми за сингулярността“ разчитат на „класическата физика“, която описва обикновените макроскопични обекти.
В тази статия учените показват, че гравитационният колапс не е задължително да завърши със сингулярност. Намират точно аналитично решение - математически резултат без приближения. Техните математически изчисления показват, че с приближаването към потенциалната сингулярност размерът на Вселената се променя като (хиперболична) функция на космическото време.
Това просто математическо решение описва как колапсиращият облак от материя може да достигне състояние на висока плътност и след това да отскочи, отблъсквайки се навън в нова разширяваща се фаза.
Но как така теоремите на Пенроуз забраняват подобни резултати? Всичко това се дължи на правило, наречено принцип на квантовото изключване, според което две идентични частици, известни като фермиони, не могат да заемат едно и също квантово състояние (например ъглов момент или „спин“). И сега учените показват, че това правило не позволява частиците в колапсиращата материя да бъдат притискани безкрайно. В резултат на това колапсът спира и се обръща в обратна посока. Отскокът е не само възможен - той е неизбежен при подходящи условия. Важното е, че този отскок се случва изцяло в рамките на общата теория на относителността, която се прилага в големи мащаби като звезди и галактики, в съчетание с основните принципи на квантовата механика - не са необходими екзотични полета, допълнителни измерения или спекулативна физика.
Още: Тайнствена сила решава две големи загадки на Вселената
Това, което се появява от другата страна на отскока, е вселена, която удивително прилича на нашата. Още по-изненадващо е, че отскокът по естествен начин поражда двете отделни фази на ускорено разширяване - инфлация и тъмна енергия - задвижвани не от хипотетични полета, а от физиката на самия отскок.
Проверими прогнози
Една от силните страни на този модел е, че той прави предсказания, които могат да бъдат проверени. Той предсказва малка, но не нулева положителна пространствена кривина - което означава, че Вселената не е точно плоска, а леко извита, като повърхността на Земята.
Това е просто остатък от първоначалната малка свръхплътност, която е предизвикала колапса. Ако бъдещи наблюдения, като например провежданата в момента мисия „Евклид“, потвърдят наличието на малка положителна кривина, това ще бъде силен намек, че нашата Вселена наистина е възникнала от такъв скок. Това също така прави прогнози за скоростта на разширяване на сегашната Вселена - нещо, което вече е проверено.
Този модел не само решава техническите проблеми на стандартната космология. Той би могъл да хвърли нова светлина и върху други дълбоки загадки в разбирането ни за ранната Вселена - като например произхода на свръхмасивните черни дупки, природата на тъмната материя или йерархичното формиране и еволюция на галактиките.
