Фізик: Великого вибуху не було, всесвіт став більш холодним і розрідженим

Можливо, ви чули, що все почалося з Великого вибуху, інфляції, нуклеогенезу так далі. Але справжня космологія працює не так. Космологія, як не дивно, це частина фізики, а фізика базується на спостереженнях та експериментах. І ми не маємо жодних спостережень чи експериментів щодо Великого вибуху.

У нас є лише спостереження сьогодення. І ми бачимо багато речей у сьогоденні. Наприклад, ми бачимо, що далекі галактики віддаляються від нас, і чим далі, тим швидше вони рухаються. Ми також бачимо слабке світіння мікрохвиль з усіх боків, крихітні варіації цього світіння, те, як галактики розташовані в просторі, відмінності між старими галактиками і молодими, кількість різних елементів і так далі.

І ми маємо теорії, які працюють. Це загальна теорія відносності (яка дуже добре описує гравітацію), Стандартна модель фізики елементарних частинок (яка дуже добре описує матерію і природні сили), термодинаміка, статистична фізика тощо.

Ми використовуємо ці теорії для створення математичної моделі Всесвіту. Здебільшого вона “витікає” з загальної теорії відносності, а матерія описується Стандартною моделлю.

Ми вдосконалюємо моделі, поки вони не будуть відповідати тому, що ми бачимо сьогодні. Завдяки моделям ми ставимо запитання: як змінювався всесвіт з плином часу? Як він зміниться в майбутньому?

Модель говорить нам, що ми живемо у всесвіті, який розширюється, де все стає холоднішим і тоншим з плином часу. Це означає (очевидно), що в минулому всесвіт був гарячішим і щільнішим. Як далеко ми можемо повернутися назад з цією моделлю?

Якщо ми просто використаємо загальну теорію відносності, не замислюючись, то повернемось аж до "t-нуля", коли, згідно з сучасними уявленнями, все було нескінченно гарячим і нескінченно густим. Тоді ж почався час.

В цій моделі немає нічого ні до, ні після цього моменту. Всесвіт завжди нескінченний за розміром, навіть на початку. Він ні в що не розростається; він просто з часом стає менш щільним.

Але ми не можемо використовувати загальну теорію відносності, не замислюючись над нею. Ми знаємо, що теорія Ейнштейна руйнується в певній точці (дуже високій), коли речі стають занадто щільними і занадто гарячими. Але навіть до цього моменту ми вже перебуваємо в ситуації,

коли не здатні перевірити теорії за допомогою спостережень чи експериментів.

Тож як далеко назад ми можемо довіряти нашій моделі? Досить далеко: ми можемо повернутися приблизно до того часу, коли всесвіту було приблизно трильйонну частку секунди. Тоді все було схоже на те, що ми можемо створити в експериментах з фізики елементарних частинок у Великому адронному колайдері.

Ось чому космологи зазвичай не кажуть, що Великий вибух "стався". Вони говорять про розширення Всесвіту в термінах "парадигми Великого вибуху". Тобто Всесвіт був гарячим і щільним, а тепер став холодним і розрідженим.

Ми вимушені спостерігати сьогодення і використовувати перевірені закони фізики. Для того, щоб “повернутися” назад, а не для того, щоб вигадувати щось, чого ми не можемо побачити або передбачити за допомогою навіть роздумів.

Але є проблема темної матерії, темної енергії та гравітації. Зводиться вона до наступного: гравітація працює в певних межах. А що відбувається в екстремально фізичних умовах - ми не знаємо. І ми не знаємо, на скільки “щільно” вона контролює рух астрономічних об'єктів.

Темна матерія - це гіпотетична субстанція, яку ніколи не спостерігали безпосередньо, але виводять з її гравітаційного впливу на видиму матерію і світло. Вчені кажуть, що ТМ необхідна для пояснення багатьох явищ: формування та еволюція галактик, структура космічного мікрохвильового фону, розподіл матерії у великих масштабах.

Однак деякі фахівці поставили під сумнів існування ТМ і запропонували модифіковані теорії гравітації, які можуть пояснити ті ж самі спостереження, не посилаючись на, по суті, математичний об'єкт.

Як вказує Віктор Тот, фізик з університету Онтаріо, тільки альтернативна теорія гравітації пояснює криві обертання галактик, динаміку скупчень галактик та багато інших космологічних аспектів без притягнення небаріонної темної матерії.

Це не означає, що темної матерії не існує. Це означає, що існують вагомі аргументи за і проти темної матерії, а також за і проти альтернативних гіпотез.

Так, є певні труднощі, з якими стикаються обидві сторони, а тому остаточної відповіді поки не існує. На цей час жоден фізик не зміг запропонувати змістовну критику стандартної космології,

не розуміючи, як вона працює.

Щодо аргументації.

Згідно Тоту, двома найсильнішими аргументами проти ідеї темної матерії є:

1) відсутність будь-якого прямого виявлення, попри численні зусилля, що мали місце протягом багатьох років;

2) той факт, що всі галактики демонструють схожу поведінку (інкапсульовану у вигляді емпіричного співвідношення Таллі-Фішера), що наводить на думку про дію закону природи, а не про випадкові хмари невидимої темної матерії.

Однак ми не маємо права ігнорувати альтернативні гіпотези. Хоча... дуже важко модифікувати гравітацію Ейнштейна, зберігаючи її основні риси, наприклад, принцип слабкої еквівалентності.

До того ж багато модифікованих теорій гравітації фальсифікуються за допомогою вимірювань так званих постньютонівських параметрів, які вимірюють, наскільки геометрія альтернативної теорії відхиляється від геометрії Ейнштейна.

Багато таких теорій передбачають, що або світло насправді не рухається зі швидкістю світла у вакуумі, а відповідно фотони мають ефективну масу, яку можна/треба було б виявити, або гравітаційні хвилі не рухаються з тією ж швидкістю,

що й світло. Але зараз це прямо фальсифікується багатосупутниковим спостереженням GW170817.

Крім того, модифікованій гравітації дуже важко відтворити кутовий спектр потужності космічного мікрохвильового фону, або спектр потужності матерії, який характеризує розподіл великомасштабної структури у пізньому Всесвіті.

Космологічне лінзування, а також лінзування, спричинене зіткненням скупчень галактик, становлять додаткові виклики, як і надслабкі, малі галактики.

Коротко кажучи, легко відкинути сценарій темної матерії/темної енергії стандартної космології, але дуже важко запропонувати надійну альтернативу.

До того ж виходить, що ми не можемо сказати, що відбувалось, коли всесвіт народжувався і нечітко уявляємо, як він працює сьогодні. Все інше - моделювання, засноване на нашому знанні сьогодення.