Почему Большой взрыв не уничтожил всё сразу?⁠⁠

В предыдущей статье мы мысленно возвращались на зарю формирование Солнечной системы.
Сегодня я предлагаю пойти еще дальше. Намного дальше. К моменту начала формирования Вселенной. Думаю каждый слышал о теории Большого взрыва. И нет, я не про сериал. Я о том событии, которое вообще позволило появится режиссеру этого ситкома, материалам из которых инженеры создали камеры, снимавшие его, и ТВ которое позволило этот сериал транслировать.
Думаю достаточно лирики, для вступления. Теперь о серьезном.

С точки зрения физики, Вселенная не обязана была быть устойчивой.
Более того, по ряду параметров всё выглядит так, будто Вселенная вообще не должна была появиться. Так почему она вообще продолжает существовать, а мы иметь возможность задавать такие вопросы?
Если начать разбирать это вопрос шаг за шагом, становится ясно, - то что мы называем реальностью, вообще балансирует в крайне узком коридоре допустимых состояний.

Начну с важного уточнения.
Большой взрыв это не момент, когда что-то взорвалось в пустоте. Да и слово взрыв не очень точно отражает суть. Это состояние, при котором вся Вселенная была сжата в крайне горячее, плотное и быстро расширяющееся состояние. Но ключевое здесь не плотность и не температура. Ключевое динамика.
С самого начала Вселенная расширялась, охлаждалась, переходила через фазовые состояния. И на каждом из этих этапов существовали сценарии, при которых она могла схлопнуться обратно, перейти в вакуум с нулевой физикой, аннигилировать сама себя.

Гравитация должна была победить сразу

Гравитация это сила притяжения. Чем плотнее вещество, тем сильнее она работает.
А ранняя Вселенная была чрезвычайно плотной. Если бы плотность материи была чуть выше, а скорость расширения была чуть ниже, гравитация бы остановила расширение, развернула его, и схлопнула Вселенную обратно в сингулярность. И всё это за доли секунды.
Этот сценарий называется гравитационный коллапс ранней Вселенной. И вот первый парадокс.
Расчёты показывают, что плотность и скорость расширения были выверены с точностью до десятков знаков после запятой. Слишком точно для случайности и слишком рано для сложных структур. Да, антропный принцип никто не отменял, но всё же.

Современная физика оперирует набором фундаментальных констант:
гравитационная, электромагнитная, сильного и слабого взаимодействия, масса электрона, заряд протона, скорость света.
Если изменить любую из них даже на 0,0001%, то атомы не формируются, звёзды не зажигаются, химия невозможна. А в ряде случаев Вселенная разрушается ещё на ранней стадии.
Например:
если бы была более сильная гравитация, случился бы мгновенный коллапс.
Если более слабая гравитация - материя не собирается в структуры
Если другое соотношение масс - нет стабильных ядер

После Большого взрыва материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах. По всем нашим симуляциям именно так. Но если бы это произошло, случилась бы полная аннигиляция всего. Осталась бы только энергия. Никаких атомов, звёзд, планет и жизни.
И вот тут возникает одна из самых странных загадок физики - материи оказалось чуть больше. Не значительно. Не в разы. А примерно на одну частицу из миллиарда. И именно эта «ошибка»
дала начало всей наблюдаемой Вселенной. Почему так произошло до сих пор неизвестно.

Инфляция.

Здесь появляется ключевая идея современной космологии - космическая инфляция.
Согласно этой теории в первые доли секунды пространство расширялось экспоненциально, быстрее скорости света (именно пространство, а не информация).
Инфляция «разгладила» Вселенную, сделала её почти идеально однородной, не дала гравитации сразу всё схлопнуть. Без инфляции Вселенная была бы хаотичной, с огромными перепадами плотности, и скорее всего неустойчивой.

Ещё одна угроза - квантовая. Согласно квантовой теории поля вакуум может быть не истинным, а ложным, возможен более стабильный минимум энергии. Если бы вакуум «перепрыгнул» в более низкое состояние произошло бы мгновенное разрушение всех законов физики, со скоростью света, без предупреждения. То, что этого не случилось либо означает, что мы в истинном вакууме, либо что время жизни ложного вакуума колоссально. В любом случае это ещё один узкий коридор выживания.

Когда подобных совпадений становится слишком много, наука перестаёт отмахиваться. На данный момент есть три основных объяснения.
1. Мы просто наблюдаем единственно возможный вариант. Антропный принцип во всей красе. Если бы было иначе нас бы не было. Никто бы не задавал такие вопросы.
2. Существует мультивселенная. Множество вселенных с разными параметрами, мы в одной из редких устойчивых. Привет MARVEL'у.
3. Мы не понимаем фундаментальную физику. Законы глубже, чем мы думаем, и неизбежно приводят именно к таким параметрам. Ни одно из этих объяснений пока не доказано.

Что будет, если космический баланс всё-таки нарушится?

Любой баланс это не вечность. Это временное состояние. И вопрос не в том, может ли он нарушиться, а в том, каким образом и что именно произойдёт, если это случится.

Сценарий 1. Гравитация берёт верх

Если в какой-то момент плотность материи окажется выше критической, то тёмная энергия ослабнет и расширение Вселенной может замедлиться, остановиться и развернуться. Да, это не мгновенная катастрофа. Это процесс на миллиарды лет. Галактики начнут сближаться, фон космического излучения станет горячее, звёзды будут чаще сталкиваться, структура Вселенной начнёт упрощаться. В финале температура снова вырастет, Вселенная вернётся в состояние высокой плотности. Это Большой коллапс, зеркальный антипод Большого взрыва.

Сценарий 2. Тёмная энергия усиливается.

Противоположный вариант и куда более тревожный. Если тёмная энергия не постоянна, а со временем усиливается, то расширение станет не просто быстрым, а разрушительным.
Сначала распадаются скопления галактик, затем сами галактики, потом звёздные системы, затем планеты. В финале атомы. Это математически корректный сценарий, называемый Большой разрыв (Big Rip).

Сценарий 3. Квантовый обрыв.

Самый безжалостный сценарий. Если наш вакуум является ложным, а более стабильное состояние возможно, то в любой момент может возникнуть пузырь нового вакуума.
Это значит что законы физики внутри пузыря другие, скорость света может быть иной, массы частиц другие, химия невозможна. Пузырь расширяется со скоростью света. Предупреждений нет. Шансов нет. Вселенная просто «переключится», и всё, что мы знаем, исчезнет. И мы не увидим этого конца. Не потому что не успеем, а потому что понятие «увидеть» перестанет существовать.

Почему Вселенная вообще допускает столько вариантов конца

Здесь мы подходим к ключевой теме статьи. Если физика допускает столько вариантов прекращения нашего бренного бытия, почему ни один из них ещё не произошёл?
Ответ прост, еще не пришло время.
Мы живём в ранней Вселенной. 13,8 миллиарда лет звучит внушительно, но по космическим меркам это раннее утро. Большинство звёзд ещё не родилось, большая часть энергии ещё не высвобождена, тепловая смерть впереди, за триллионы лет. Мы существуем слишком рано, чтобы делать окончательные выводы. Баланс может быть временным состоянием. Законы физики могут быть фазовыми, могут зависеть от масштаба, могут меняться при других энергиях. То, что стабильно сегодня, не обязано быть стабильным всегда. Мы просто наблюдаем Вселенную в окне её устойчивости, до очередного фазового перехода.