Что циклическая модель Вселенной будет означать для Большого взрыва?

Встречайте Большой Гринч Кранч: В этой теории происхождения Вселенной Большой взрыв был не началом, а повторяющейся моделью расширения и сжатия.

Говоря о космологических представлениях Пола Стейнхардта, сказать, что история повторяется, было бы смехотворным преуменьшением. Это потому, что, по его мнению и горстке его коллег, форма Вселенной может переходить в новый цикл каждые триллион лет или около того.

«Сто миллионов лет звучит как долгий срок, но с космической точки зрения это похоже на завтра», - говорит Стейнхардт.

Доклад на  тему «Циклическая модель Вселенной» подготовили профессор физики и директор Принстонского центра теоретических наук Пол Стейнхард и его коллега Нил Турок. 

Сторонники этой модели предлагают  переосмыслить Большой взрыв и быстрое расширение Вселенной. Они утверждают, что это может заполнить некоторые из самых больших пробелов в нашем общем понимании того, как работают пространство и время.

Модель большого взрыва и инфляции

Общепринятое представление о Вселенной таково: около 14 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв. Все, что в конечном итоге превратилось в материю, взорвалось за считанные секунды - первые частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны стали строительными блоками наших атомов. Зарождение звезд, планет и галактик стало результатом Большого взрыва - важного момента во времени и пространстве. Он распространился таким образом, что Вселенная стала очень гладкой.

Гладкость в огромных масштабах означает, что все элементы во Вселенной распределено относительно равномерно. В тоже время в  меньшем масштабе, например, между галактиками или внутри солнечной системы, материя более «комковатая» и заполнена скоплениями.

Физики предполагают, что вскоре после Большого взрыва произошло нечто, называемое «инфляцией». По сути, то, что когда-то было крошечной, собранной вместе вселенной, быстро расширилось за доли секунды, и продолжает расширяться по сей день. Инфляция является частью текущей стандартной модели Вселенной, называемой the Lambda Cold Dark Matter (LCDM) model. В LCDM форма траектории Вселенной на некоторых изображениях выглядит как воронка, ее широкая вершина растет и расширяется с течением времени.

^{Andrea Danti/Shutterstock}

Это одна интерпретация. Но есть и другие, которые возникли из тех же фрагментов информации, которые ученые действительно могут фиксировать и измерять в реальной жизни, то есть наблюдательной астрономии. Информация из наблюдательной астрономии имеет решающее значение, если ученые хотят использовать модели для реальных предсказаний будущего нашего космоса.

«Космология - это своего рода командная работа, вам нужны люди, сосредоточенные на действительно прагматических и наблюдательных вещах, и вам нужны люди, которые будут заниматься научной фантастикой», - говорит Леонардо Джани, научный сотрудник Университета Квинсленда в Австралии, чьи исследования сосредоточены на альтернативных моделях Вселенной. 

Что мы знаем наверняка

Вся теоретическая астрофизика сформирована на догадках, которые вытекают из тех немногих вещей, которые мы действительно знаем наверняка. То, что мы называем космическим микроволновым фоном (CMB), вносит большой вклад в эту наблюдаемую информацию. CMB состоит из следов излучения, оставшихся от ранней фазы Вселенной. Радиотелескопы могут уловить их, а затем преобразовать волны в своего рода изображение тепловой карты.

Это изображение на самом деле показывает нам, как содержимое Вселенной было распределено через 400 000 лет после Большого взрыва - самого раннего наблюдаемого снимка Вселенной, лишенной звезд, солнечных систем и галактик. Почти вся вселенная была однородной, за исключением крошечных флуктуаций, которые стали материей, образующей звëзды и галактики. Это изображение является доказательством того, что Вселенная сначала была плотно упакована, а затем расширилась до еë настоящего состояния.

Мы также знаем, что Вселенная продолжает расширяться, и даже можем до некоторой степени измерить, насколько быстро она это делает. CMB также служит подтверждением того, что более ранняя версия Вселенной была очень горячей. Наша эпоха намного холоднее.

Проблемы с нашей текущей моделью

Стейнхардт говорит, что ряд проблем возникает из модели инфляции, которая сама расширила и исправила предыдущие модели, возникшие из теории Большого взрыва. Модель инфляции должна была объяснить, почему, например, Вселенная кажется такой однородной в огромных масштабах без тех же начальных условий. Но, по словам Стейнхардта, из инфляционной модели возникает так много вариантов развития, что она делает саму инфляционную модель менее полезной.

По словам Стейнхардта, предыдущие модели не исключают неверных предсказаний о космосе. 

«Как будто я пришел объяснить вам, почему небо голубое, но затем, когда вы посмотрите на мою теорию более внимательно, выяснится, что моя теория могла с таким же успехом предсказывать, что небо красное, зеленое или в горошек», - говорит Стейнхардт. И вы можете задать правомерный вопрос: «Хорошо, какая польза от этой теории?» 

Ещё одна проблема - это проблема сингулярности. Стейнхардт утверждает, что теория инфляции также застревает в вопросе «что было до Большого взрыва?» Классическая теория инфляции не даëт ответ на этот вопрос.

«Фундаментальная философская проблема Большого взрыва в том, что есть после, но нет до», - говорит Стейнхардт. «Точно так же у нас нет ответа на вопрос, может ли зарождение Вселенной случиться еще раз или это уникальное неповторяющееся, с исторической точки зрения, явление»

Математически Большой взрыв выглядит так, как будто он произошел из неопределенного состояния - то, что не объясняется законами физики в рамках общей теории относительности Эйнштейна. Это также называется «сингулярностью». 

Для Стейнхардта - но не для всех - это математический эквивалент красного флага. «Мы все в школе учили, что следствию предшествует причина, и если у нас еë нет, то мы явно чего-то не знаем»

По словам Стейнхардта, еще одной проблемой являются трудности в согласовании инфляционной модели с квантовой механикой и теорией струн. Если бы модель правильно описывала Вселенную, то с согласованием макро и микро физики не было бы никаких проблем. Стейнхардт говорит, что есть разногласия. 

«Когда вы начинаете думать о космологии, вы, как правило, начинаете из разных областей мышления, которые могут быть довольно далеки друг от друга. Будь то со стороны астрономии или со стороны фундаментальной физики, всегда в конечном итоге приходится думать, как это совместить». По словам Стейнхарда, в этом может помочь циклическая модель.

Циклическая модель и ее преимущества 

Циклическая модель Вселенной предназначена для решения некоторых, казалось бы, неразрешимых проблем моделей Большого взрыва и инфляции. «Это позволяет нам выйти за рамки Большого взрыва, но без каких-либо магических философских проблем», - говорит Стефон Александер, профессор физики в Университете Брауна и соавтор инфляционной модели Вселенной, основанной на теории струн. «Потому что время всегда существовало в прошлом».

Ученые предложили циклическую модель, которая может работать математически несколькими способами. Модель циклической вселенной Стейнхардта и Турока - одна из них. Еë основные принципы таковы: Большой взрыв не был началом времен; ему предшествовала фаза с множеством циклов сжатия и расширения, которые повторяются бесконечно; и ключевой период, определяющий форму нашей Вселенной, был прямо перед так называемым взрывом. Период медленного сокращения, называемый большим сжатием.

Таким образом, вместо начала времени, возникающего из ничего, циклическая модель предполагает длительный период времени для подготовки. Эта модель решает те же проблемы, что и теория инфляции, и одновременно развивает еë. Во-первых, наличие времени до Большого сжатия снимает проблему сингулярности - это неопределенное число. Во вторых, эта модель также использует теорию струн и квантовые флуктуации.

Как и LCDM, циклическая модель также учитывала бы темную энергию, ненаблюдаемую силу, которая, по мнению ученых, стоит за ускоряющимся расширением Вселенной. Но в модели Стенхардта и Турока все становится больше похоже на научную фантастику: две идентичные плоскости или «браны» (в теории струн - объект, который может иметь любое количество измерений) соединяются и расширяются. Мы можем наблюдать три измерения пространства, но не дополнительные измерения другого. Темная энергия - это сила, приводящая браны к столкновению с разделением между ними. Далее следует расширение самих бран, и темная энергия снова сближает их, когда они становятся настолько плоскими и гладкими, насколько это возможно.

Исследователь Джани не уверен в этом из-за некоторых предположений, которые эта модель привносит из теории струн. Ему нравится еще одна циклическая модель от Роджера Пенроуза, физика-теоретика из Оксфорда, который придумал то, что сам Пенроуз назвал «возмутительной новой перспективой» [Вселенной]. «Я был полностью поражен этой идеей», - сказал Джани.

Трудно осознать: в далеком-далеком будущем нашу солнечную систему и галактику поглотят черные дыры, которые съедят всю остальную массу во Вселенной, а затем, через невообразимое количество времени, только черные дыры будет существовать. В конце концов, будут существовать только фотоны, которые не имеют массы и, следовательно, не имеют энергии или частоты в соответствии с принятыми нами законами физики.

Пенроуз объясняет , что измерения масштаба на данном этапе больше не применимы, но форма Вселенной остается. Он утверждает, что в момент Большого взрыва, когда частицы достаточно сильно разогреты и находятся близко друг к другу, они движутся почти со скоростью света и практически теряют свою массу. Во время Большого взрыва создаются те же условия, что и в остывающей Вселенной будущего. Масштаб больше не актуален, и одно может порождать другое. Далекое будущее и Большой взрыв становятся одним и тем же.

Опровержение моделей

В конечном итоге, мы не можем наблюдать то, что находится за пределами нашей вселенной. Вот почему современные теории Вселенной никогда не бывают законченными. Мы выстраиваем теории основываясь на наших знаниях о небольшой полоске наблюдаемой Вселенной, и с помощью математических моделей и теорий, заполняем наши пробелы в знаниях.

В конечном итоге в космологии учëные ищут наблюдаемые явления, которые опровергают их модели, и снова меняют свои теории, чтобы преодалеть проблему.

По мере того, как наши технологии развиваются, частота наблюдений, которые подтверждают или опровергают ту или иную модель возрастает.

 «Все эти предположения относительно модели Вселенной оправданы, потому что мы приближаемся к тому моменту, когда необходимые данные начнут поступать.», - говорит Джани. Одно из новых наблюдений может дать нам убедительную поддержку в пользу как циклической модели, так и более признанной теории инфляции.

Из-за того, как материя распределена с нашей точки зрения на самую старую часть Вселенной (видимую в реликтовом излучении), гравитационные волны, которые достигают нас, могут быть поляризованы с определенной частотой. Очень скоро - фактически через несколько лет - учëные смогут определить, существует ли эта поляризация. Если существует, это поддержит инфляционную модель. Если такой поляризации не существует, это подорвет идею о «медленном сжатие», отличительную черту циклической модели. 

Мы станем на один шаг ближе к пониманию времени и пространства, ближе к пониманию Вселенной, но наше путешествие в космос будет еще далеко не окончено.

 Sophie Putka  | 20.08.2021

Между этим на русскоязычном youtube канале QWERTY с числом подписчиков за овер миллион 18.08.2021 вышла видеоверсия прошлой серии.