За трильйон років до Великого вибуху

1. У теорії Великого вибуху в нинішньому десятилітті з'явився сильний конкурент - циклічна теорія.
2. космологічна інфляція
3. заморожені монополі
4. спіновий спагетті
5. Циклічна всесвіт: кола на мікрохвильових полях
6. Круги на полях
7. без сингулярності

Теорія Великого вибуху користується довірою абсолютної більшості вчених, які вивчають ранню історію нашого Всесвіту. Вона і справді пояснює дуже багато і ні в чому не суперечить експериментальним даним. Однак нещодавно у неї з'явився конкурент в особі нової, циклічної теорії, основи якої розробили двоє фізиків екстра-класу - директор Інституту теоретичної науки Прінстонського університету Пол Стейнхардт і лауреат максвелловскую медалі і престижної міжнародної премії TED Ніл Тьюрок, директор канадського Інституту перспективних досліджень в галузі теоретичної фізики (Perimeter Institute for Theoretical Physics).

У теорії Великого вибуху в нинішньому десятилітті з'явився сильний конкурент - циклічна теорія.

Назва цієї статті може здатися не надто розумною жартом. Відповідно до загальноприйнятої космологічної концепції, теорії Великого вибуху, наша Всесвіт виник з екстремального стану фізичного вакууму, породженого квантової флуктуацией. У цьому стані не існувало ні часу, ні простору (або вони були сплутані в просторово-часову піну), а всі фундаментальні фізичні взаємодії були злиті воєдино. Пізніше вони розділилися і знайшли самостійне буття - спочатку гравітація, потім сильна взаємодія, а вже потім - слабке і електромагнітне.

Момент, що передував цим змінам, прийнято позначати як нульовий час, t = 0, однак це чиста умовність, данина математичного формалізму. Відповідно до стандартної теорії, безперервний перебіг часу почалося лише після того, як сила тяжіння здобула незалежність. Цьому моменту зазвичай приписують величину t = 10-43с (точніше, 5,4 × 10-44с), яку називають Планка часом. Сучасні фізичні теорії просто не в змозі осмислено працювати з більш короткими проміжками часу (вважається, що для цього потрібна квантова теорія гравітації, яка поки що не створена). У контексті традиційної космології немає сенсу міркувати про те, що відбувалося до початкового моменту часу, оскільки часу в нашому розумінні тоді просто не існувало.

Неодмінною частиною стандартної космологічної теорії служить концепція інфляції (див. Врізку). Після закінчення інфляції в свої права вступила тяжіння, і Всесвіт продовжила розширюватися, але вже з зменшується швидкістю. Така еволюція розтягнулася на 9 млрд років, після чого в справу вступило ще одне антигравітаційний поле невідомої природи, яке називають темною енергією. Воно знову вивело Всесвіт в режим експоненціального розширення, який начебто має зберегтися і в майбутні часи. Слід зазначити, що ці висновки базуються на астрофізичних відкриттях, зроблених в кінці минулого століття, майже через 20 років після появи інфляційної космології.

Вперше інфляційна інтерпретація Великого вибуху була запропонована близько 30 років тому і з тих пір багато разів шліфувати. Ця теорія дозволила вирішити кілька фундаментальних проблем, з якими не впоралася попередня космологія. Наприклад, вона пояснила, чому ми живемо у Всесвіті з плоскою евклідової геометрією - відповідно до класичних рівняннями Фрідмана, саме такою вона і повинна стати при експоненційному розширенні. Інфляційна теорія пояснила, чому космічна матерія володіє зернистістю в масштабах, що не перевищують сотень мільйонів світлових років, а на великих дистанціях розподілена рівномірно. Вона також дала тлумачення невдачі будь-яких спроб виявити магнітні монополі, дуже масивні частинки з одиночним магнітним полюсом, які, як вважається, в достатку народжувалися перед початком інфляції (інфляція так розтягла космічний простір, що спочатку висока щільність монополів скоротилася майже до нуля, і тому наші прилади не можуть їх виявити).

космологічна інфляція

Згідно інфляційної моделі, Всесвіт незабаром після свого народження дуже короткий час експоненціально розширювалася, багаторазово подвоюючи свої лінійні розміри. Вчені вважають, що початок цього процесу збіглося за часом з відділенням сильного взаємодії і сталося на тимчасовій позначці в 10-36 с. Таке розширення (з легкої руки американського фізика-теоретика Сідні Коулмена його стали називати космологічної інфляцією) було вкрай нетривалим (до 10-34 с), однак збільшило лінійні розміри Всесвіту як мінімум в 1030-1050 разів, а можливо, що і багато більше.

Відповідно до більшості конкретних сценаріїв, інфляцію запустило антигравітаційний квантове скалярний поле, щільність енергії якого поступово зменшувалася і, врешті-решт, дійшла до мінімуму. Перед тим як це сталося, поле стало швидко осциллировать, породжуючи елементарні частинки. В результаті до закінчення інфляційної фази Всесвіт заповнилася сверхгорячей плазмою, що складається з вільних кварків, глюонів, лептонів і високоенергетичних квантів електромагнітного випромінювання.

Незабаром після появи інфляційної моделі кілька теоретиків зрозуміли, що її внутрішня логіка не суперечить ідеї перманентного множинного народження все нових і нових всесвітів. Справді, квантові флуктуації, подібні до тих, яким ми зобов'язані існуванням нашого світу, можуть виникати в будь-якій кількості, якщо для цього є відповідні умови. Не виключено, що наше світобудову вийшло з флуктуаційної зони, яка склалася в світі-попереднику. Точно так само можна допустити, що коли-небудь і де-небудь в нашій власній Всесвіту утворюється флуктуація, яка «видме» юну всесвіт зовсім іншого роду, також здатну до космологическому «дітородіння». Існують моделі, в яких такі дочірні всесвіти виникають безперервно, відокремлюються від своїх матерів і знаходять своє власне місце. При цьому зовсім не обов'язково, що в таких світах встановлюються одні й ті ж фізичні закони. Всі ці світи «вкладені» в єдиний просторово-часовий континуум, але рознесені в ньому настільки, що ніяк не відчувають присутності один одного. Загалом, концепція інфляції дозволяє - більш того, змушує! - вважати, що в велетенському мегакосмос існує безліч ізольованих один від одного всесвітів з різним пристроєм.

Фізики-теоретики люблять вигадувати альтернативи навіть самим загальноприйнятим теоріям. З'явилися конкуренти і у інфляційної моделі Великого вибуху. Вони не отримали широкої підтримки, але мали і мають своїх послідовників. Теорія Стейнхардт і Тьюрока серед них не перша і напевно не остання. Однак на сьогоднішній день вона розроблена детальніше інших і краще пояснює спостережувані властивості нашого світу. Вона має кілька версій, у тому числі одні базуються на теорії квантових струн і багатовимірних просторів, а інші покладаються на традиційну квантову теорію поля. Перший підхід дає більш наочні картинки космологічних процесів, так що на ньому і зупинимося.

Самий просунутий варіант теорії струн відомий як М-теорія. Вона стверджує, що фізичний світ має 11 вимірювань - десять просторових і один часовий. У ньому плавають простору менших розмірностей, так звані Брани. Наш Всесвіт - просто одна з таких бран, що володіє трьома просторовими вимірами. Її заповнюють різні квантові частинки (електрони, кварки, фотони і т. Д.), Які насправді є роз'єднаними вібруючими струнами з єдиним просторовим виміром - довжиною. Кінці кожної струни намертво закріплені всередині тривимірної Брани, і покинути Бран струна не може. Але є і замкнуті струни, які можуть мігрувати за межі бран - це Гравітон, кванти поля тяжіння.

Як же циклічна теорія пояснює минуле і майбутнє світобудови? Почнемо з нинішньої епохи. Перше місце зараз належить темної енергії, яка змушує наш Всесвіт розширюватися по експоненті, періодично подвоюючи розміри. В результаті щільність матерії і випромінювання постійно падає, гравітаційне викривлення простору слабшає, а його геометрія стає все більш плоскою. Протягом наступного трильйона років розміри Всесвіту подвояться близько ста разів, і вона перетвориться в практично порожній світ, повністю позбавлений матеріальних структур. Поруч з нами знаходиться ще одна тривимірна брану, відокремлена від нас на нікчемне відстань в четвертому вимірі, і вона теж зазнає аналогічне експоненціальне розтягнення і сплощення. Весь цей час дистанція між лайкою практично не змінюється.

А потім ці паралельні Брани починають зближуватися. Їх штовхає один до одного силове поле, енергія якого залежить від відстані між лайкою. Зараз щільність енергії такого поля позитивна, тому простір обох бран розширюється по експоненті, - отже, саме це поле і забезпечує ефект, який пояснюють наявністю темної енергії! Однак цей параметр поступово зменшується і через трильйон років впаде до нуля. Обидві Брани все одно продовжать розширюватися, але вже не по експоненті, а в дуже повільному темпі. Отже, в нашому світі щільність частинок і випромінювання так і залишиться майже нульовий, а геометрія - плоскою.

Але закінчення старої історії - лише прелюдія до чергового циклу. Брани переміщаються назустріч один одному і, врешті-решт, стикаються. На цій стадії щільність енергії межбранового поля опускається нижче нуля, і воно починає діяти на зразок гравітації (нагадаю, що у тяжіння потенційна енергія негативна!). Коли Брани виявляються зовсім близько, межбрановое поле починає посилювати квантові флуктуації в кожній точці нашого світу і перетворює їх в макроскопічні деформації просторової геометрії (наприклад, за мільйонну частку секунди до зіткнення розрахунковий розмір таких деформацій досягає декількох метрів). Після зіткнення саме в цих зонах виділяється левова частка вивільненої при ударі кінетичної енергії. У підсумку саме там виникає найбільше гарячої плазми з температурою близько 1023 градусів. Саме ці області стають локальними вузлами тяжіння і перетворюються в зародки майбутніх галактик.

Таке зіткнення замінює Великий вибух інфляційної космології. Дуже важливо, що вся виникла заново матерія з позитивною енергією з'являється за рахунок накопиченої негативної енергії межбранового поля, тому закон збереження енергії не порушується.

А як веде себе таке поле в цей вирішальний момент? До зіткнення щільність його енергії досягає мінімуму (причому негативного), потім починає зростати, а при зіткненні стає нульовою. Потім Брани відштовхуються одна від одної і починають розходитися. Щільність межбрановой енергії проходить зворотний еволюцію - знову робиться негативною, нульовий, позитивною. Збагачена матерією і випромінюванням брану спочатку розширюється з падаючої швидкістю під гальмуючим впливом власного тяжіння, а потім знову переходить до експоненціального розширення. Новий цикл закінчується подібно як і раніше - і так до нескінченності. Цикли, що передують нашому, відбувалися і в минулому - в цій моделі час безперервно, тому минуле існує і за межами 13,7 млрд років, що минули після останнього збагачення нашої Брани матерією і випромінюванням! Чи було у них взагалі якесь початок, теорія замовчує.

Циклічна теорія по-новому пояснює властивості нашого світу. Він володіє плоскою геометрією, оскільки до кінця кожного циклу непомірно розтягується і лише трохи деформується перед початком нового циклу. Квантові флуктуації, які стають попередниками галактик, виникають хаотично, але в середньому рівномірно - тому космічне простір заповнений згустками матерії, але на дуже великих дистанціях цілком однорідне. Ми не можемо виявити магнітні монополі просто тому, що максимальна температура новонародженої плазми не перевищувала 1023К, а для виникнення таких частинок потребни багато великі енергії - близько 1027К.

радикальна альтернатива

1980-х роках професор Стейнхардт вніс чималий внесок у розробку стандартної теорії Великого вибуху. Однак це нітрохи не завадило йому шукати радикальну альтернативу теорії, в яку вкладено стільки праці. Як розповів Пол Стейнхардт, гіпотеза інфляції дійсно розкриває багато космологічних загадок, але це не означає, що немає сенсу шукати і інші пояснення: «Спочатку мені було просто цікаво спробувати розібратися в основних властивостях нашого світу, не вдаючись до інфляції. Пізніше, коли я заглибився в цю проблематику, я переконався, що інфляційна теорія зовсім не так досконала, як стверджують її прихильники. Коли інфляційна космологія тільки створювалася, ми сподівалися, що вона пояснить перехід від початкового хаотичного стану матерії до нинішньої впорядкованої Всесвіту. Вона це і зробила - але пішла багато далі. Внутрішня логіка теорії зажадала визнати, що інфляція постійно творить нескінченне число світів. У цьому не було б нічого страшного, якби їх фізичний пристрій копіювало наше власне, але цього якраз і не виходить. Ось, скажімо, за допомогою інфляційної гіпотези вдалося пояснити, чому ми живемо в плоскому евклідовому світі, але ж більшість інших всесвітів свідомо не буде мати таку ж геометрією. Коротше кажучи, ми будували теорію для пояснення свого власного світу, а вона вийшла з-під контролю і породила нескінченну різноманітність екзотичних світів. Такий стан справ перестало мене влаштовувати. До того ж стандартна теорія не здатна пояснити природу попереднього стану, що передував експоненціального розширення. У цьому сенсі вона так само неповна, як і доінфляціонная космологія. Нарешті, вона не в змозі нічого сказати про природу темної енергії, яка вже 5 млрд. Років керує розширенням нашого Всесвіту ».

Циклічна теорія існує в кількох версіях, як і теорія інфляції. Однак, за словами Пола Стейнхардт, відмінності між ними чисто технічні і цікаві лише фахівцям, загальна концепція же залишається незмінною: «По-перше, в нашій теорії немає ніякого моменту початку світу, ніякої сингулярності. Є періодичні фази інтенсивного народження речовини і випромінювання, кожну з яких при бажанні можна називати Великим вибухом. Але будь-яка з цих фаз знаменує не виникнення нового всесвіту, а лише перехід від одного циклу до іншого. І простір, і час існують і до, і після будь-якого з цих катаклізмів. Тому цілком закономірно запитати, яким було становище справ за 10 млрд років до останнього Великого вибуху, від якого відраховують історію світобудови.

Друге ключове відмінність - природа і роль темної енергії. Інфляційна космологія не передбачувала переходу замедляющегося розширення Всесвіту в прискорене. А коли астрофізики відкрили це явище, спостерігаючи за спалахами далеких наднових зірок, стандартна космологія навіть не знала, що з цим робити. Гіпотезу темної енергії висунули просто для того, щоб якось прив'язати до теорії парадоксальні результати цих спостережень. А наш підхід набагато краще скріплений внутрішньою логікою, оскільки темна енергія у нас присутній спочатку і саме вона забезпечує чергування космологічних циклів ». Втім, як зазначає Пол Стейнхардт, є у циклічної теорії і слабкі місця: «Нам поки не вдалося переконливо описати процес зіткнення і відскоку паралельних бран, що має місце на початку кожного циклу. Інші аспекти циклічної теорії розроблені куди краще, а тут належить усунути ще чимало неясностей ».

монопольна бомба

Батько американської водневої бомби Едвард Теллер постійно розмірковував про створення надпотужної зброї. Якось він обідав з відомим фізиком-теоретиком і космологом Нілом Тьюроком, і той розповів, що займається магнітними монополіями - гіпотетичними частками, що володіють не електричним, а магнітним зарядом. До жаху співрозмовника, Теллер негайно почав прикидати, як використовувати монополії в ролі начинки для супербомби.

Що ж це за частинка? Відповідно до класичної и квантової ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ, Джерелом електромагнітного поля службовців електричної заряди и електричної Струм. В принципі, можна припустити, що існують і магнітні заряди, які переносять особливого роду частинки, що проявляють себе як поодинокі магнітні полюси. Потік таких магнітних монополів може сформувати специфічний ток - знову-таки, що не електричний, а магнітний. Магнітні заряди і магнітні струми легко вводяться в рівняння Максвелла, від чого ті тільки робляться більш симетричними. У 1894 році ця ідея прийшла в голову П'єру Кюрі, який не тільки працював з радіоактивними елементами, але також багато займався магнітними явищами. Кюрі обмежився тим, що виклав її в короткій замітці, оскільки такі заряди і струми ніхто й ніколи не чув.

Але навіть найкрасивіші теоретичні моделі потребують дослідної перевірки. Чи можна підтвердити або спростувати циклічну космологію за допомогою спостережень? «Обидві теорії, і інфляційна, і циклічна, пророкують існування реліктових гравітаційних хвиль, - пояснює Пол Стейнхардт.- У першому випадку вони виникають з первинних квантових флуктуацій, які в ході інфляції розмазуються по простору і породжують періодичні коливання його геометрії, - а це, відповідно до загальної теорії відносності, і є хвилі тяжіння. У нашому сценарії першопричиною таких хвиль також служать квантові флуктуації - ті самі, що посилюються при зіткненні бран. Обчислення показали, що кожен механізм породжує хвилі, що володіють специфічним спектром і специфічної поляризацією. Ці хвилі зобов'язані були залишити відбитки на космічному мікрохвильовому випромінюванні, яке служить безцінним джерелом відомостей про ранньому космосі. Поки такі сліди виявити не вдалося, але, швидше за все, це буде зроблено протягом найближчого десятиліття. Крім того, фізики вже думають про прямий реєстрації реліктових гравітаційних хвиль за допомогою космічних апаратів, які з'являться через два-три десятка років ».

Ще одна відмінність, за словами професора Стейнхардт, полягає в розподілі температур фонового мікрохвильового випромінювання: «Це випромінювання, що приходить з різних ділянок небосхилу, не цілком однорідне за температурі, в ньому є більш і менш нагріті зони. На тому рівні точності вимірювань, який забезпечує сучасна апаратура, кількість гарячих і холодних зон приблизно однаково, що збігається з висновками обох теорій - і інфляційної, і циклічною. Однак ці теорії пророкують більш тонкі відмінності між зонами. В принципі, їх зможе виявити запущена в минулому році європейська космічна обсерваторія "Планк" та інші новітні космічні апарати. Я сподіваюся, що результати цих експериментів допоможуть зробити вибір між інфляційної і циклічної теоріями. Але може трапитися і так, що ситуація залишиться невизначеною і жодна з теорій не отримає однозначної експериментальної підтримки. Ну що ж, тоді доведеться придумати що-небудь нове ».

Заряд для супербомби Вакуумне поле в центрі монополя зберігає екзотичні властивості, яке мало до автономізації сильної взаємодії. Як пояснив професор теоретичної фізики Стенфордського університету Леонард Сасскінд, таке поле повинно каталізувати розпад протона. Тому протон при зіткненні з монополією зобов'язаний перетворюватися в більш легкі частинки, такі як нейтральний півонія і позитрон. Це буде справжньою анігіляцією, причому для неї не потрібна ніяка антиматерія. Ідеальна начинка для супербомби!

Наступний крок зробив Поль Дірак в 1931 році. Він виявив, що гіпотеза магнітного монополя не тільки не суперечить принципам квантової фізики, але навіть веде до вельми цікавим наслідків. Його обчислення показали, що твір будь-якого електричного заряду на заряд монополя дорівнює половині твори постійної Планка на швидкість світла, помноженої на ціле число або нуль (останнє означає відсутність монополів в природі, оскільки електричні заряди свідомо існують). З формули Дірака випливає, що в системі СГС мінімальний заряд монополя майже в 70 разів перевищує заряд електрона. Тому монополь дуже сильно відхиляється магнітними полями і може бути легко виявлено - на фотоемульсії або ж в камері Вільсона. З 1951 року ці частки шукали в космічних променях, а пізніше і на прискорювачах, але незмінно без всякого успіху. Все говорило за те, що або монополів не існує взагалі, або вони не з'являються в околицях Сонячної системи.

У своїй статті про монополію Дірак зазначив, що, оскільки вони дозволені квантовою механікою, «було б дивно, якби природа не скористалася такою можливістю». А в 1974 році Олександр Поляков і Герард Хоофт показали, що при певних умовах в юної Всесвіту монополії просто зобов'язані були з'явитися на світло. Цей висновок випливає з цілого класу теорій, що описують відносини між фундаментальними взаємодіями незабаром після Великого вибуху. Коли вік Всесвіту становив 10-36 секунди, сильна взаємодія відокремилося від електрослабкої і знайшло самостійне існування. При цьому в вакуумі утворилися точкові топологічні дефекти, свого роду вузли, що несуть в своїх центральних ядрах гігантську енергію і тому володіють величезною масою, як мінімум в 1015 разів перевищує масу протона. Це і були магнітні монополі - вірніше, їх зародки. У монополії вони перетворилися після того, як електрослабкої взаємодія теж розділилося надвоє і з'явився справжній електромагнетизм. І тоді-то протомономолі постали в завершеному вигляді частинок з поодинокими магнітними полюсами.

заморожені монополі

Восени 2009 року в журналі Science були опубліковані роботи двох наукових груп - германо-британської під керівництвом учених з німецького Центру Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB) і французько-британської під керівництвом дослідників з Інституту Лауе-Ланжевена в Греноблі, - які продемонстрували твердотільні моделі магнітних монополів, реалізовані на титанаті диспрозия (Dy2Ti2O7). У цього матеріалу в кожному вузлі кристалічної решітки є чотири вільних магнітних спина, що допускають різну орієнтацію. Це схоже на конфігурацію молекул води в льоду, тому такі матеріали носять спільну назву «спіновий лід».

спіновий спагетті

У спиновом льоду при низьких температурах в магнітному полі виникає мережу з переплетених спінових ланцюжків ( «спіновий спагетті»), які виглядають на відстанях багато більше атомних подібно струнах Дірака - гіпотетичним одновимірним об'єктів, на кінцях яких знаходяться монополії і антимонополію. Струни Дірака в оригінальної моделі ненаблюдаеми, їх кінці вважаються вільними частинками.

Зрозуміло, це не справжні монополі, а їх імітація - специфічні квазічастічние колективні збудження в середовищах з особливими магнітними властивостями, які при нейтронном скануванні проявляють себе на великих масштабах як монополі. У більш дрібних масштабах ця подібність зникає. Мікроскопічна магнітне поле «спінових спагетті» не утворює особливостей на кінцях, в той час як поле справжнього монополя поблизу нього прямує до нескінченності.

Якщо ця теорія вірна, чому монополі не вдається виявити? Частинки з настільки гігантською масою неможливо створити ні на одному прискорювачі, але немає їх і в космічних променях. Відповідно до стандартної космологічної теорії, монополі виникли перед початком інфляційного розширення Всесвіту, яке так розтягнуло простір, що їх щільність знизилася до неспостережуваних значень. Якщо вірити циклічної космології, Всесвіт ніколи не нагрівалася до температур, при яких можливе народження монополів. Так що або щільність цих частинок надто мала, або вони просто не існують.

Циклічна всесвіт: кола на мікрохвильових полях

З подібним сенсаційною заявою виступив недавно всесвітньо відомий оксфордський астрофізик Роджер Пенроуз (Roger Penrose). За його словами, дані про фоновому мікрохвильовому (реліктовому) випромінюванні Всесвіту, зібрані американським зондом WMAP, подтвеждают, в общем-то, маргінальну для сучасної космології ідею про «циклічної Всесвіту».

Тут варто нагадати, що згідно з куди більш поширеною інфляційної моделі Всесвіту все світобудову народилося близько 13,7 млрд. Років тому з точки нескінченної щільності в результаті Великого Вибуху, і з тих пір продовжує розширюватися. У наш час розширення це відбувається з усе більшою швидкістю, і в кінці кінців, швидше за все, призведе Всесвіт в повністю однорідне і холодний стан.

Круги на полях

Вчені пов'язують знайдені ними кола з результатами зіткнень надмасивних чорних дір в кінці існування тієї Всесвіту, яка була до Великого вибуху.

Таким чином, вважають вчені, всі ми живемо в циклічної Всесвіту, в якій кінець однієї епохи (еону) збігається з початком іншої. І цей процес проходить нескінченно.

Свої результати Пенроуз і Гурзадян отримали на основі спостережень з космічного апарату WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA), призначеного для дослідження реліктового випромінювання. Перевірка результатів була зроблена за даними експерименту BOOMERanG, який включав в себе спостереження анізотропії реліктового випромінювання за допомогою апаратури, розташованої на повітряній кулі, літаючому над Антарктикою.

Робота Пенроуза і Гурзадяна (вона була опублікована на сайті препринтів ArXiv.org, яку можна завантажити тут: Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity ) Ще буде піддана ретельному аналізу як з боку самих вчених, так і з боку всього наукового співтовариства. Але якщо в результаті їх висновки виявляться правильними, то ця робота стане якраз таким фундаментальним відкриттям, епоха яких, як декому здається, вже закінчилася, і набагато далі відсуне «кінець науки». Тієї самої науки, заняття якої сьогодні багато хто вважає нудними і нудними.

Пенроуз же починає з відомої проблеми, поки невирішеною в рамках цієї моделі - з нескінченно низькою ентропії початкового стану Всесвіту, неймовірно високого рівня впорядкованості, яка з тих пір безперервно зменшується. На думку вченого, більш розумною виглядає версія про циклічної природі Всесвіту, в якій кожен Великий Вибух - лише один з нескінченної низки, що відкриває новий етап існування світу.

У якийсь далекий від нас момент, по Пенроуз, Всесвіт прийде в стан, дуже нагадує стан, що передував «нашому» Великого Вибуху. Форма, геометрія Всесвіту буде ставати все більш плоскою і однорідною, що і дозволить їй зробити неймовірний перехід від стану нескінченної протяжності до нескінченної малості, щоб знову розвернутися новим Великим Вибухом. Ентропія в момент цього переходу буде надзвичайно мала, оскільки в міру розтягування Всесвіту головні її носії - чорні діри - все повністю випаруються.

Пенроуз стверджує, що підтвердження цієї гіпотези виявляються в реліктовому випромінюванні - надзвичайно слабкому і холодному мікрохвильовому фоні, рівномірно пронизує весь Всесвіт. Вважається, що воно - лише слабке відлуння потужного випромінювання, що бушував у всесвіті, коли воно налічувало близько пари сотень тисяч років від роду. Сьогодні ж реліктовий фон дуже слабкий і однорідний, температурні відмінності в ньому становлять тисячні частки градусів, але і вони можуть багато чого сказати нам про стан молодому Всесвіті. Недарма за відкриття анізотропії реліктового випромінювання кілька років тому була вручена Нобелівська премія.

Пенроуз озброюється картою аномалій в реліктовому випромінюванні, складеної за даними американського зонда WMAP і проаналізованої разом з вірменським фізиком Вахой Гурзадяном (Vahe Gurzadyan). За їх словами, в структурі цих аномалій виявляються абсолютно певні концентричні кола, температура випромінювання в межах цих кіл трохи нижче, ніж поза ними.

Саме ці кола, на думку Пенроуза і Гурзадяна, дозволяють нам «бачити крізь Великий Вибух», будучи слідами, залишені в межах нашого циклу існування Всесвіту гравітаційними хвилями, які створили чорні діри, загиблі в кінці попереднього циклу. У будь-якому випадку, вчені відзначають, що в рамках інфляційної моделі інтерпретувати ці циклічні кола поки не представляється можливим, адже відповідно до неї всі флуктуації температури реліктового випромінювання повинні розподілятися випадковим чином.

Поки важко сказати, наскільки справедливі ці висновки - для початку, як зазначив один колега Пенроуза, потрібно переконатися в реальності існування цих кіл в даних WMAP, а також в тому, що вони не викликані якимись поки невиявленими аберацією. Якщо ж вони дійсно є, це дійсно поставить нову проблему перед інфляційної моделлю, прихильникам якої доведеться в черговий раз якось викручуватися.

без сингулярності

Що ж придумали Стейнхардт і тюрків для пояснення природи таємничої енергетичної субстанції і її поведінки в часі?

Згідно їх базової теорії, темна енергія - це єдине енергетичне поле, яке пронизує весь Всесвіт, в основному заповнену вакуумом. Далі винахідливі «ціклікі» скористалися ідеєю, вперше запропонованої американцем Ларрі Ебботтом в 1985 році: за його версією, щільність енергії вакууму на більш ранніх етапах еволюції Всесвіту була набагато вище. Ебботт також постулював, що цей процес зниження щільності вакууму відбувався не поступово, а стрибками, причому кожен новий стрибок займав більше часу, ніж попередній.

Однак коли Ебботт спробував змоделювати цей сценарій в рамках класичної теорії Великого вибуху, з'ясувалося, що для досягнення поточного значення щільності вакууму потрібен час, набагато перевершує 15 млрд років, що минули з моменту «початку всіх початків».

Мейнстрім такий розрахунок, зрозуміло, не влаштував, зате Стейнхардт і тюрків з задоволенням вхопилися за цю ідею Ебботт, так як вона відмінно укладалася в їх циклічну модель, в якій кожен цикл триває близько одного трильйона років. За новітньої версії Стейнхардт і тюрків, фактично повторили ідею Ебботт, щільність вакууму знижується з кожним новим всесвітнім циклом і навіть всередині них. Зниження відбувається не поступово, а ривками, тобто після кожного падіння щільності настає дуже довга пауза (так званий період релаксації, який до того ж має властивість все більш і більш подовжуватися), протягом якої її величина залишається постійною.

Таким чином, згідно з новою циклічної теорії, в далекому минулому (кілька сотень, а то і тисяч циклів назад, кожен з яких, нагадаємо, становить, за Стейнхардт-тюрків, близько трильйона років) величина лямбда-члена (цей термін, рівнозначний щільності вакууму , вони запозичили у мейнстріму) була дуже великою. У свою чергу, це означає, що тоді, трильйони трильйонів років тому, в нашому Всесвіті не могли виникнути умови для появи більш-менш значних неоднорідностей (скупчень «правещества»), і, відповідно, найдавніша Всесвіт представляв собою абсолютно мертве простір, на 99 , 99% заповнений лише горезвісним вакуумом.

І лише відносно недавно - «всього лише» кілька циклів назад, а можливо, і того менше - зниження щільності вакуумного поля дійшло до таких значень, коли у звичайного речовини, що формується на початку кожного нового циклу, нарешті з'явилася можливість перетворитися в ті великомасштабні космічні неоднорідності (галактики, зірки і ін.), які і характеризують структуру пізньої Всесвіту з дуже маленьким значенням лямбда-члена.

При цьому температура і щільність речовини у Всесвіті ні в якій точці циклу не стають нескінченними, тобто для них є якісь граничні величини. Що ж стосується нинішньої однорідності і «гладкості» Всесвіту, то вони пояснюються не якимись «інфляційними фокусами», що трапилися з нею в лічені частки секунди після Великого вибуху, а еволюційної логікою подій, що відбувалися у Всесвіті до нього: фізичні процеси, що відбуваються в попередньому циклі, роблять визначальний вплив на процеси в наступному.

На чому ґрунтується ця примхлива еволюційна логіка? Перш за все на новітніх суперструн теоріях, згідно з якими Всесвіт складається з великої кількості вимірювань, деякі з яких просто не доступні нашому сприйняттю (сумарне число вимірювань, за різними версіями, варіюється від п'яти до одинадцяти). У найпростішому варіанті, що звично використовуються в своїх поясненнях Стейнхардт і тюрків, наш Всесвіт - це тривимірна гіперповерхность, що розмістилася на тонкій плоскій мембрані. Розвиваючи далі ці сюрреалістичні образи, Пол Стейнхардт пропонує і таку своєрідну аналогію: все звичайну речовину (кварки, електрони, фотони і т. Д.) Можна уподібнити мухам на цій «липучці-мембрані».

Насправді мембрана не одна - їх две. Протягом сотень мільярдів років дві мембрани-Всесвіти завдяки розганяти дії темної енергії, яка присутня в обох світах, розгладжуються, поступово позбавляючись всіх спочатку наявних в них неоднорідностей (галактик, зірок і т. П.). Це розгладження (зменшення щільності речовини) в кінці кінців призводить до того, що речовина і випромінювання на мембранах практично повністю розсіюються (космічний простір порожніє). І на цьому кінцевому етапі циклу в справу нарешті активно вступає проміжне гравітаційне поле, яке змушує дві сусідні мембрани стикатися (коллапсировать) один з одним. У момент колапсу (умовного аналога Великого вибуху, який відбувається по всій поверхні контактуючих один з одним паралельних мембран) на обох мембранах відбувається одномоментне утворення численних неоднорідностей (іншими словами, виникають колосальні флуктуації температури і щільності), які і стають зародками речовини і випромінювання нового циклу . Найважливішою відмінністю нової циклічної моделі від більш ранніх версій початку ХХ століття її автори вважають той факт, що в їх сценарії циклічних колапсів мембран тривимірні гіперповерхні-Всесвіти в момент колапсу самі не стискуються (тобто в цьому циклічному вибуху не виникає горезвісних точок сингулярності), а стискається лише те саме додатковий вимір - гравітаційне поле, яке знаходиться між ними.

Олексій Левін