Вселенная из ничего: новый взгляд на Большой Взрыв

Автор: Денис Аветисян

В статье предлагается оригинальная космологическая модель, в которой сингулярность Большого Взрыва заменена поверхностью изменения метрической сигнатуры, возникающей из фундаментально евклидова пространства-времени.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Вселенная представляется как возникающий лоренцевский фрагмент в рамках чисто риманова пространства размерности четыре, где так называемый «Большой взрыв» интерпретируется как гиперповерхность <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Sigma_0</span>, знаменующая изменение сигнатуры метрики, при этом простейшая модель предполагает зависимость геометрии и конфигураций полей лишь от одной пространственной координаты <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z</span>, обеспечивая выполнение принципа Коперника и сохранение сигнатуры <span class="katex-eq" data-katex-display="false">(-,+,+,+)</span> в асимптотических областях. — Вселенная представляется как возникающий лоренцевский фрагмент в рамках чисто риманова пространства размерности четыре, где так называемый «Большой взрыв» интерпретируется как гиперповерхность $\Sigma_0$ , знаменующая изменение сигнатуры метрики, при этом простейшая модель предполагает зависимость геометрии и конфигураций полей лишь от одной пространственной координаты $z$ , обеспечивая выполнение принципа Коперника и сохранение сигнатуры $(-,+,+,+)$ в асимптотических областях.

Предлагаемая модель описывает переход от евклидовой геометрии к пространству-времени с сигнатурой Лоренца, избегая сингулярности в начале времен.

Стандартная космологическая модель сталкивается с проблемой сингулярности в начальный момент времени, известной как Большой Взрыв. В статье ‘The emergent Big Bang scenario’ предложен новый подход к описанию космологической сингулярности, основанный на представлении Вселенной как возникающей из фундаментально евклидова пространства. Ключевым элементом является замена сингулярности на гладкую гиперповерхность с изменяющейся метрической сигнатурой, обусловленную взаимодействием материи с «полем часов». Возможно ли, что наша Вселенная — лишь один из локальных лоренцевых островков, возникших в этом евклидовом «море», и какие наблюдаемые следствия может иметь данная модель?

Сингулярность как Пророчество: Кризис Стандартной Космологии

Стандартная космологическая модель, основанная на общей теории относительности Эйнштейна, предсказывает существование начальной сингулярности Большого Взрыва — точки, характеризующейся бесконечной плотностью и кривизной пространства-времени. Согласно расчетам, в этот момент все вещество и энергия Вселенной были сконцентрированы в бесконечно малом объеме. Это не физическая точка в привычном понимании, а скорее математический предел, где известные законы физики перестают действовать. Представление о сингулярности указывает на то, что общая теория относительности, несмотря на свою успешность в описании гравитации, имеет ограничения применительно к экстремальным условиям, существовавшим в начальные моменты существования Вселенной. Таким образом, сингулярность Большого Взрыва служит важным индикатором необходимости разработки более полной и адекватной теории, способной описать физику при сверхвысоких энергиях и плотностях, и, возможно, объяснить, что предшествовало Большому Взрыву.

Сингулярность, предсказываемая общей теорией относительности в начальный момент Большого взрыва, представляет собой не просто математическую особенность, а фундаментальный кризис в современной физике. Это точка, где известные законы перестают действовать, а плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными, делая невозможным предсказание физических процессов. Необходимость преодоления этого ограничения обуславливает потребность в создании новой теоретической базы, способной описать условия, существующие за пределами применимости общей теории относительности. Кандидатами на эту роль выступают, например, теории квантовой гравитации, стремящиеся объединить принципы квантовой механики и общей теории относительности, и тем самым устранить сингулярность, заменяя её более физически обоснованным описанием начальных стадий Вселенной. По сути, сингулярность сигнализирует о неполноте существующей модели и подталкивает научное сообщество к поиску более глубокого и всеобъемлющего понимания фундаментальных законов природы.

Существование сингулярности в рамках стандартной космологической модели ставит под сомнение само понятие «начало времени» и пространства. Экстраполяция известных физических законов к экстремальным условиям, царившим в первые моменты после Большого Взрыва, оказывается несостоятельной, поскольку сингулярность представляет собой точку, где эти законы попросту перестают работать. Это не просто математическая особенность уравнений общей теории относительности; она указывает на фундаментальные ограничения нашей способности описывать самые ранние этапы существования Вселенной. Иными словами, сингулярность сигнализирует о необходимости пересмотра существующих теоретических рамок и разработки новой физической теории, способной объяснить, что предшествовало или породило Большой Взрыв, и как пространство-время возникло из состояния, не поддающегося описанию известными физическими принципами.

Figure 7:A big bang that never happened…. with many emergent universes. The dashed lines denote the light cone of an observer inℳ0+{\cal M}\_{0+}for whom the whole structure remains unknown and inaccessible. Not only are those regions out of its domain of influence but also in the blue Riemannian sea in which time does not flow. According to the field distribution and the Euclidean metric, we can describe many types of universes:mirror universesandpocket universesof different size and lifetime.

Отскок: Альтернатива Начальной Сингулярности

Альтернативные космологические модели, известные как «отскакивающие вселенные», предлагают решение проблемы сингулярности Большого Взрыва. Вместо начальной сингулярности — состояния бесконечной плотности и кривизны пространства-времени — эти модели предполагают переход от стадии сжатия к стадии расширения, так называемый «отскок». В рамках таких моделей, вселенная могла существовать в сжимающейся фазе перед отскоком, избегая тем самым сингулярности. Математически, это требует модификации уравнений общей теории относительности при экстремальных энергиях и плотностях, чтобы предотвратить формирование сингулярности и обеспечить плавный переход к расширению. Ключевым аспектом является наличие эффективного отталкивающего гравитационного эффекта при высоких плотностях, препятствующего дальнейшему сжатию и инициирующего расширение.

Модели «отскока» (bounce), предлагающие альтернативу сингулярности в начале Вселенной, требуют специфических уравнений состояния для реализации перехода от сжатия к расширению. Активные исследования в рамках Феноменологии Квантовой Гравитации направлены на поиск наблюдаемых сигнатур, которые могли бы подтвердить или опровергнуть эти модели. В частности, изучается влияние модифицированной геометрии пространства-времени на распространение гравитационных волн и космического микроволнового фона. Для этого используются как теоретические расчеты, так и анализ данных, полученных с помощью современных астрономических инструментов. $w = p/\rho$ — типичный параметр уравнения состояния, который существенно влияет на динамику «отскока», где $p$ — давление, а ρ — плотность энергии.

Теория струн и петлевая квантовая гравитация выступают ключевыми теоретическими инструментами для изучения возможности отскока, заменяющего начальную сингулярность. В рамках теории струн, преонные степени свободы и дополнительные измерения могут смягчить сингулярность, обеспечивая плавный переход от сжатия к расширению. Петлевая квантовая гравитация, используя квантование геометрии пространства-времени, предлагает механизм, основанный на квантовых эффектах гравитации, который предотвращает коллапс в сингулярность, приводя к отскоку. Оба подхода используют различные математические формализмы, включая $\rho \approx \frac{1}{l_p^2}$ для оценки плотности энергии вблизи планковской эпохи, и активно исследуются для получения предсказаний, проверяемых наблюдениями.

Реконструкция рассматриваемых решений требует задания профилей геометрии <span class="katex-eq" data-katex-display="false">h(z)</span> (сплошная линия) и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">H_{\rm E}(z)</span> (пунктирная линия) [внизу] по уравнению (34), а также поля часов <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\psi(z)</span> [сверху] по уравнению (35), что позволяет для модели зеркальных вселенных реализовать деситтеровскую фазу на поздних стадиях, в то время как для модели карманных вселенных наблюдается асимптотическое поведение <span class="katex-eq" data-katex-display="false">H_{\rm E} \rightarrow const.</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">h \sim H_{\rm E}z</span> при больших <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z</span>, а также <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\psi \rightarrow const.</span>. — Реконструкция рассматриваемых решений требует задания профилей геометрии $h(z)$ (сплошная линия) и $H_{\rm E}(z)$ (пунктирная линия) [внизу] по уравнению (34), а также поля часов $\psi(z)$ [сверху] по уравнению (35), что позволяет для модели зеркальных вселенных реализовать деситтеровскую фазу на поздних стадиях, в то время как для модели карманных вселенных наблюдается асимптотическое поведение $H_{\rm E} \rightarrow const.$ и $h \sim H_{\rm E}z$ при больших $z$ , а также $\psi \rightarrow const.$ .

От Евклидова к Лоренцеву: Смена Сигнатуры Пространства-Времени

Рассматриваемая концепция предполагает, что Вселенная возникла не из сингулярности, а из евклидова пространства — пространства с положительно определённой метрикой $ds^2 = \sum_{i=1}^{n} dx_i^2$ . В рамках данной модели, переход от евклидовой геометрии к лоренцевой происходит посредством изменения сигнатуры метрики. Это означает, что одна из размерностей пространства меняет знак в метрике, что приводит к появлению временной координаты и, следовательно, к формированию лоренцева пространства-времени, описываемого метрикой $ds^2 = -dt^2 + \sum_{i=1}^{n} dx_i^2$ . Данный подход предполагает, что наша Вселенная представляет собой область лоренцева пространства, возникшую из более фундаментального евклидова пространства.

Переход от евклидова пространства к лоренцеву, поддерживаемый гипотезой Сахарова, предполагает механизм возникновения Вселенной без начальной сингулярности. В рамках этой концепции, Вселенная не возникает из точки бесконечной плотности, а формируется как локальное нарушение евклидовой геометрии. Гипотеза Сахарова постулирует, что асимметрия времени возникает из начально симметричного состояния, что позволяет избежать сингулярности. Этот подход обходит необходимость в начальных условиях, характеризующихся бесконечными значениями физических величин, представляя альтернативный сценарий космогенеза, где Вселенная появляется как результат флуктуации в изначально евклидовом пространстве.

В рамках данной модели, наша Вселенная рассматривается как возникающая из первоначального 4-мерного евклидова пространства. Лоренцевы «карманы», соответствующие областям, где возникает привычное нам пространство-время, формируются внутри этого евклидова пространства под воздействием так называемого «Поля Времени» (Clock Field). Данное поле определяет направление потока времени и, следовательно, является причиной появления нашей пространственно-временной структуры. Важно отметить, что использование конечной 4-мерной евклидовой геометрии в качестве основы предполагает, что и сама Вселенная может быть конечной, избегая необходимости в бесконечных или сингулярных начальных условиях.

Поле часов, ограниченное условиями, не может пересечь линию <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\psi = 0</span>, определяющую гиперповерхность смены знака <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\psi_c = M^2</span>, разделяющую лоренцеву и евклидову области (см. ур. 19), при этом <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\psi_0</span>, определяемое условием <span class="katex-eq" data-katex-display="false">j(\psi_0) = 0</span> (см. ур. 9), формирует немонотонный профиль, допускающий существование множества лоренцевых “карманов” в 4-мерном римановом пространстве, ограниченных или неограниченных по направлению времени. — Поле часов, ограниченное условиями, не может пересечь линию $\psi = 0$ , определяющую гиперповерхность смены знака $\psi_c = M^2$ , разделяющую лоренцеву и евклидову области (см. ур. 19), при этом $\psi_0$ , определяемое условием $j(\psi_0) = 0$ (см. ур. 9), формирует немонотонный профиль, допускающий существование множества лоренцевых “карманов” в 4-мерном римановом пространстве, ограниченных или неограниченных по направлению времени.

Возникающее Время и Эффективная Космология

Парадигма “Смены Сигнатуры” представляет собой новаторский подход к пониманию происхождения и эволюции Вселенной, предлагая потенциальное решение для ряда давних космологических проблем. В отличие от традиционных моделей, предполагающих начальную сингулярность, эта концепция постулирует, что Вселенная возникла из состояния, характеризующегося фундаментальными изменениями в структуре пространства-времени. Согласно данной теории, начальные условия Вселенной не были предопределены, а сформировались в результате динамического процесса, связанного с квантовой гравитацией и появлением самого пространства-времени. Это позволяет избежать проблем, связанных с бесконечностями и нефизическими условиями, характерными для классических космологических моделей, и открывает возможность для более последовательного описания ранней Вселенной и ее последующего развития. Исследование этой парадигмы предполагает пересмотр фундаментальных представлений о времени и пространстве, что может привести к новым открытиям в области физики и космологии.

Данная теоретическая модель стимулирует углубленное изучение взаимосвязи между квантовой гравитацией, концепцией эмерджентного пространства-времени и фундаментальной природой времени. Исследования в этом направлении предполагают, что пространство и время могут не быть базовыми сущностями, а возникать как результат более глубоких квантовых процессов. Понимание того, как гравитация проявляется на квантовом уровне и как это влияет на структуру пространства-времени, может привести к революционным открытиям в космологии. Особое внимание уделяется поиску способов согласования общей теории относительности с принципами квантовой механики, что позволит создать единую теорию, описывающую все фундаментальные взаимодействия во Вселенной. Рассмотрение времени не как линейного потока, а как эмерджентного свойства, возникающего из более фундаментальных процессов, открывает новые возможности для понимания ранней Вселенной и её эволюции.

Дальнейшее развитие космологических исследований неразрывно связано с объединением передовых теоретических разработок и постоянно совершенствующихся наблюдательных данных. Будущие эксперименты, направленные на более точное измерение реликтового излучения, крупномасштабной структуры Вселенной и гравитационных волн, позволят проверить предсказания новой парадигмы “изменения сигнатур” и выявить отклонения от стандартной космологической модели. Параллельно, углубленное изучение квантовой гравитации и концепций возникающего пространства-времени необходимо для создания более полной и непротиворечивой картины эволюции Вселенной. Сочетание этих подходов, теоретического моделирования и эмпирической проверки, представляется ключевым для подтверждения или корректировки перспективного направления в современной космологии и прояснения фундаментальной природы времени и пространства.

Исследование представляет собой не попытку построить очередную космологическую модель, а скорее наблюдение за тем, как сама структура пространства-времени может эволюционировать из евклидовой основы. Авторы не стремятся избежать сингулярности Большого Взрыва, а предлагают механизм её трансформации, смену метрической сигнатуры, как естественный процесс. Этот подход напоминает принцип, высказанный Исааком Ньютоном: «Если я вижу дальше других, то это потому, что стою на плечах гигантов». В данном случае, «гигантами» выступают фундаментальные принципы геометрии и симметрии, на которых строится предложенная модель, позволяющая взглянуть на зарождение Вселенной как на естественное следствие эволюции базовых структур, а не как на мгновенный акт творения.

Что же дальше?

Предложенный сценарий «Эмерджентного Большого Взрыва» — не столько решение, сколько переформулировка старых вопросов. Замена сингулярности на гиперповерхность изменения метрики, конечно, изящна, но лишь отодвигает проблему — к природе самого изменения сигнатуры. Каждый архитектурный выбор, даже в космологическом моделировании, несет в себе пророчество о будущем сбое. Здесь, сбоем станет необходимость объяснить, что «толкнуло» Вселенную от чисто евклидова пространства к лоренцеву. Иначе говоря, где источник этого самого «эмерджентного» времени.

По сути, предложенная модель — это лишь еще один уровень абстракции. Вселенная, конечно, любит скрывать свои секреты, но стремление к элегантности не должно заслонять необходимость в проверяемых предсказаниях. Будущие исследования, вероятно, сосредоточатся на поиске наблюдаемых следов этой «эмергенции» — отклонений от стандартной космологической модели, которые могли бы указывать на раннюю фазу, когда Вселенная еще «не знала» о существовании пространства-времени в привычном понимании.

Порядок — это просто временный кэш между сбоями, и, возможно, истинная красота космологии заключается не в создании идеальных моделей, а в принятии ее фундаментальной неопределенности. Эта работа — еще один шаг в этом направлении, и истинный прогресс будет достигнут не тогда, когда Вселенная будет «понята», а когда человечество научится жить с ее загадками.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.02646.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-04 10:43