Даже до Большого взрыва пространство не было по-настоящему пустым: вот почему

Вселенная, продолжая расширяться, в конечном итоге станет пустой, но никогда не станет полностью пустой. Поскольку расширение Вселенной ускоряется из-за темной энергии, в пространстве всегда будет присутствовать фоновое излучение. Даже в далеком прошлом, в период космической инфляции, предшествовавшей горячему Большому взрыву, это фоновое излучение присутствовало, пишет Big Think.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Горячая и холодная Вселенная

В сегодняшнем виде Вселенная наполнена материей, излучением, антиматерией, нейтрино, темной материей и темной энергией. Но даже если убрать каждый квант энергии из Вселенной, мы не останемся в пустой Вселенной. Вселенная всегда будет генерировать новые формы энергии. Как бы мы искусственно ни делали расширяющуюся Вселенную "пустой", сам факт ее расширения все равно спонтанно и неизбежно порождал бы излучение. Даже до горячего Большого взрыва Вселенная никогда не была бы по-настоящему пустой и будет такой в далеком будущем.

В глобальном масштабе ткань нашей Вселенной, то есть пространство-время, расширяется. Это означает, что если вы поместите в пространстве-времени любые две удаленные друг от друга "точки", вы обнаружите, что правильное расстояние между этими точками, время распространения света между ними и длина волны света, проходящего из одной точки в другую, будут увеличиваться со временем. Вселенная не только расширяется, но и одновременно охлаждается в результате расширения. По мере того, как свет смещается в сторону более длинных волн, он также смещается в сторону более низких энергий и более низких температур. Вселенная была более горячей в прошлом и станет более холодной в будущем. И все это время объекты, обладающие массой и/или энергией, притягиваются и образуют огромную космическую паутину.

Если бы можно было каким-то образом устранить всю материю и все излучение, то чтобы осталось? В каком-то смысле, у нас было бы просто пустое пространство, продолжающее расширяться, по-прежнему подчиняющееся законам физики и по-прежнему неспособное вырваться из квантовых полей, пронизывающих Вселенную.

Это максимально близкое физическое состояние к истинному "ничто", и все же у него есть физические законы, которым оно должно подчиняться. Это означает, в частности, что то, что темная энергия, все еще существовала бы в этой "Вселенной ничего".

Нулевая энергия пространства

Теоретически, можно взять каждое квантовое поле во Вселенной и привести его к конфигурации с наименьшей энергией. Если это сделать, то мы достигнем того, что физики называют "нулевой энергией" пространства. Это означает, что из него больше невозможно извлечь энергию и использовать для выполнения какой-либо механической работы. Во Вселенной с темной энергией или нулевой энергией квантовых полей, нет оснований полагать, что нулевая энергия фактически будет равна нулю.

В очень далеком будущем, через миллиарды лет, Вселенная будет вести себя так, как будто эта нулевая энергия является единственным, что в ней осталось. Все звезды сгорят, их остатки остынут до абсолютного нуля, в то время как немногие оставшиеся черные дыры вырастут до огромных размеров. В конце концов, даже они исчезнут благодаря излучению Хокинга.

Почему черные дыры исчезают? Потому что они излучают энергию, которая исходит из массы черной дыры, превращая массу в энергию, согласно уравнению Эйнштейна E = mc². Вблизи горизонта событий черной дыры (невидимая граница, из-за которой материя и свет, уже не могут выйти обратно после попадания в черную дыру) пространство искривлено сильнее. Чем дальше от горизонта событий, тем меньше оно искривлено. Эта разница в кривизне соответствует разногласиям относительно того, чему равна нулевая энергия пространства. Тот, кто находится близко к горизонту событий, увидит, что его "пустое пространство" отличается от "пустого пространства" того, кто находится дальше, и это проблема, поскольку квантовые поля непрерывны и занимают все пространство.

Космический горизонт Вселенной

Расширяющаяся Вселенная не имеет горизонта событий, потому что она не является черной дырой. Но у нее есть космический горизонт. Если вы находитесь в любой точке пространства-времени и рассматриваете наблюдателя в другой точке пространства-времени, то, казалось бы, можно увидеть свет, который соединяет эти две точки. Но в расширяющейся Вселенной это не обязательно так. Вы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы расширение пространства-времени между этими двумя точками не помешало свету достичь места назначения.

В современной Вселенной это соответствует расстоянию примерно в 18 миллиардов световых лет. Если бы мы выпустили свет прямо сейчас, любой наблюдатель в пределах 18 миллиардов световых лет от нас в конечном итоге смог бы его принять. Любой, кто находится дальше, никогда бы не смог этого сделать из-за продолжающегося расширения Вселенной. Мы можем видеть дальше, потому что многие источники света были выпущены давным-давно. Самый ранний свет, приходящий прямо сейчас, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, исходит из точки, которая сейчас находится примерно в 46 миллиардах световых лет от нас. Это и есть космический горизонт.

И точно так же, как существование горизонта событий черной дыры приводит к появлению излучения Хокинга, существование космического горизонта также должно создавать излучение. В этом случае прогнозируется, что Вселенная будет заполнена чрезвычайно низкоэнергетическим излучением.

Почему Вселенная не была пустой до Большого взрыва и не будет пустой в далеком будущем?

По мере того, как Вселенная продолжает расширяться и остывать, в далеком будущем наступит время, когда это излучение станет преобладающим над всеми другими формами материи и излучения во Вселенной. Только темная энергия останется более доминирующим компонентом.

В далеком прошлом во Вселенной также доминировало нечто иное, чем материя и излучение и это происходило во время космической инфляции, предшествовавшей горячему Большому взрыву. До того, как произошел горячий Большой взрыв, наша Вселенная расширялась с огромной скоростью. Космос находился под влиянием энергии поля инфляции.

Хотя инфляция растягивает Вселенную и раздвигает все уже существующие частицы, это не обязательно означает, что температура быстро приближается к абсолютному нулю. Это означает, что если вы когда-либо захотите охладить Вселенную до абсолютного нуля, вам потребуется полностью остановить ее расширение. Пока сама ткань пространства обладает ненулевой внутренней энергией, она будет расширяться. Пока Вселенная расширяется, будут существовать области, разделенные столь большим расстоянием, что свет, сколько бы мы ни ждали, не сможет достичь одной такой области из другой. И пока определенные области недоступны, в нашей Вселенной будет существовать космологический горизонт и скопление низкоэнергетического излучения, от которого невозможно избавиться. Пока еще предстоит определить, приведет ли эта форма излучения к распаду темной энергии нашей Вселенной.

Пока во Вселенной существует энергия, даже нулевой энергии квантового вакуума достаточно, всегда будет существовать какая-то форма излучения, которую невозможно устранить. Вселенная никогда не была полностью пустой, и пока темная энергия не распадется полностью, она никогда такой не будет.

Как уже писал Фокус, возможно, физики обнаружили вход в другую Вселенную.