Навіть до Великого вибуху простір не був по-справжньому порожнім: ось чому

Всесвіт, продовжуючи розширюватися, зрештою стане порожнім, але ніколи не стане повністю порожнім. Оскільки розширення Всесвіту прискорюється через темну енергію, у просторі завжди буде присутнє фонове випромінювання. Навіть у далекому минулому, у період космічної інфляції, що передувала гарячому Великому вибуху, це фонове випромінювання було присутнє, пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Гарячий і холодний Всесвіт

У сьогоднішньому вигляді Всесвіт наповнений матерією, випромінюванням, антиматерією, нейтрино, темною матерією і темною енергією. Але навіть якщо прибрати кожен квант енергії із Всесвіту, ми не залишимося в порожньому Всесвіті. Всесвіт завжди генеруватиме нові форми енергії. Хоч би як ми штучно робили Всесвіт, що розширюється, "порожнім", сам факт його розширення все одно спонтанно і неминуче породжував би випромінювання. Навіть до гарячого Великого вибуху Всесвіт ніколи не був би по-справжньому порожнім і буде таким у далекому майбутньому.

У глобальному масштабі тканина нашого Всесвіту, тобто простір-час, розширюється. Це означає, що якщо ви помістите в просторі-часі будь-які дві віддалені одна від одної "точки", ви виявите, що правильна відстань між цими точками, час поширення світла між ними та довжина хвилі світла, що проходить з однієї точки в іншу, будуть збільшуватися з часом. Всесвіт не тільки розширюється, а й одночасно охолоджується в результаті розширення. У міру того, як світло зміщується в бік довших хвиль, воно також зміщується в бік нижчих енергій і нижчих температур. Всесвіт був гарячішим у минулому і стане холоднішим у майбутньому. І весь цей час об'єкти, що володіють масою і/або енергією, притягуються і утворюють величезну космічну павутину.

Якби можна було якимось чином усунути всю матерію і все випромінювання, то щоб залишилося? У якомусь сенсі, у нас був би просто порожній простір, що продовжує розширюватися, як і раніше підкоряється законам фізики і як і раніше нездатний вирватися з квантових полів, що пронизують Всесвіт.

Це максимально близький фізичний стан до істинного "ніщо", і все ж таки він має фізичні закони, яким має підкорятися. Це означає, зокрема, що те, що темна енергія, все ще існувала б у цьому "Всесвіті нічого".

Нульова енергія простору

Теоретично, можна взяти кожне квантове поле у Всесвіті і привести його до конфігурації з найменшою енергією. Якщо це зробити, то ми досягнемо того, що фізики називають "нульовою енергією" простору. Це означає, що з нього більше неможливо витягти енергію і використовувати для виконання будь-якої механічної роботи. У Всесвіті з темною енергією або нульовою енергією квантових полів, немає підстав вважати, що нульова енергія фактично дорівнюватиме нулю.

У дуже далекому майбутньому, через мільярди років, Всесвіт поводитиметься так, ніби ця нульова енергія є єдиним, що в ньому залишилося. Усі зірки згорять, їхні залишки охолонуть до абсолютного нуля, тоді як деякі чорні діри, що залишилися, виростуть до величезних розмірів. Зрештою, навіть вони зникнуть завдяки випромінюванню Гокінга.

Чому чорні діри зникають? Тому що вони випромінюють енергію, яка виходить із маси чорної діри, перетворюючи масу на енергію, згідно з рівнянням Ейнштейна E = mc². Поблизу горизонту подій чорної діри (невидима межа, через яку матерія і світло вже не можуть вийти назад після потрапляння в чорну діру) простір викривлений сильніше. Що далі від горизонту подій, то менше він викривлений. Ця різниця в кривизні відповідає розбіжностям щодо того, чому дорівнює нульова енергія простору. Той, хто перебуває близько до горизонту подій, побачить, що його "порожній простір" відрізняється від "порожнього простору" того, хто перебуває далі, і це проблема, оскільки квантові поля безперервні й займають увесь простір.

Космічний горизонт Всесвіту

Всесвіт, що розширюється, не має горизонту подій, тому що він не є чорною дірою. Але в нього є космічний горизонт. Якщо ви перебуваєте в будь-якій точці простору-часу і розглядаєте спостерігача в іншій точці простору-часу, то, здавалося б, можна побачити світло, яке з'єднує ці дві точки. Але у Всесвіті, що розширюється, це не обов'язково так. Ви маєте перебувати досить близько одне до одного, щоб розширення простору-часу між цими двома точками не завадило світлу дістатися місця призначення.

У сучасному Всесвіті це відповідає відстані приблизно в 18 мільярдів світлових років. Якби ми випустили світло просто зараз, будь-який спостерігач у межах 18 мільярдів світлових років від нас зрештою зміг би його прийняти. Той, хто перебуває далі, ніколи б не зміг цього зробити через триваюче розширення Всесвіту. Ми можемо бачити далі, тому що багато джерел світла були випущені давним-давно. Найраніше світло, що приходить просто зараз, через 13,8 мільярда років після Великого вибуху, походить із точки, яка зараз знаходиться приблизно в 46 мільярдах світлових років від нас. Це і є космічний горизонт.

І точно так само, як існування горизонту подій чорної діри призводить до появи випромінювання Гокінга, існування космічного горизонту також має створювати випромінювання. У цьому випадку прогнозується, що Всесвіт буде заповнений надзвичайно низькоенергетичним випромінюванням.

Чому Всесвіт не був порожнім до Великого вибуху і не буде порожнім у далекому майбутньому?

У міру того, як Всесвіт продовжує розширюватися й остигати, у далекому майбутньому настане час, коли це випромінювання стане переважаючим над усіма іншими формами матерії та випромінювання у Всесвіті. Тільки темна енергія залишиться більш домінуючим компонентом.

У далекому минулому у Всесвіті також домінувало щось інше, ніж матерія і випромінювання, і це відбувалося під час космічної інфляції, що передувала гарячому Великому вибуху. До того, як стався гарячий Великий вибух, наш Всесвіт розширювався з величезною швидкістю. Космос перебував під впливом енергії поля інфляції.

Хоча інфляція розтягує Всесвіт і розсовує всі вже наявні частинки, це не обов'язково означає, що температура швидко наближається до абсолютного нуля. Це означає, що якщо ви коли-небудь захочете охолодити Всесвіт до абсолютного нуля, вам буде потрібно повністю зупинити його розширення. Поки сама тканина простору має ненульову внутрішню енергію, вона буде розширюватися. Поки Всесвіт розширюється, існуватимуть області, розділені настільки великою відстанню, що світло, скільки б ми не чекали, не зможе досягти однієї такої області з іншої. І поки певні області недоступні, у нашому Всесвіті існуватиме космологічний горизонт і скупчення низькоенергетичного випромінювання, якого неможливо позбутися. Поки ще належить визначити, чи призведе ця форма випромінювання до розпаду темної енергії нашого Всесвіту.

Доки у Всесвіті існує енергія, навіть нульової енергії квантового вакууму достатньо, завжди існуватиме якась форма випромінювання, яку неможливо усунути. Всесвіт ніколи не був повністю порожнім, і поки темна енергія не розпадеться повністю, він ніколи таким не буде.

Як уже писав Фокус, можливо, фізики виявили вхід в інший Всесвіт.