За триллион лет до Большого взрыва

Теория Большого взрыва пользуется доверием абсолютного большинства ученых, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории, основы которой разработали двое физиков экстра-класса — директор Института теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и престижной международной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Института перспективных исследований в области теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics).

Теория Большого взрыва пользуется доверием абсолютного большинства ученых, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории, основы которой разработали двое физиков экстра-класса — директор Института теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и престижной международной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Института перспективных исследований в области теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). С помощью профессора Стейнхардта «Популярная механика» попыталась рассказать о циклической теории и о причинах ее появления.

У теории Большого взрыва в нынешнем десятилетии появился сильный конкурент — циклическая теория.

Название этой статьи может показаться не слишком умной шуткой. Согласно общепринятой космологической концепции, теории Большого взрыва, наша Вселенная возникла из экстремального состояния физического вакуума, порожденного квантовой флуктуацией. В этом состоянии не существовало ни времени, ни пространства (или они были спутаны в пространственно-временную пену), а все фундаментальные физические взаимодействия были слиты воедино. Позже они разделились и обрели самостоятельное бытие — сначала гравитация, затем сильное взаимодействие, а уже потом — слабое и электромагнитное.

Момент, предшествовавший этим переменам, принято обозначать как нулевое время, t = 0, однако это чистая условность, дань математическому формализму. Согласно стандартной теории, непрерывное течение времени началось лишь после того, как сила тяготения обрела независимость. Этому моменту обычно приписывают величину t = 10–43с (точнее, 5,4 × 10–44с), которую называют планковским временем. Современные физические теории просто не в состоянии осмысленно работать с более короткими промежутками времени (считается, что для этого нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана). В контексте традиционной космологии нет смысла рассуждать о том, что происходило до начального момента времени, поскольку времени в нашем понимании тогда просто не существовало.

Непременной частью стандартной космологической теории служит концепция инфляции (см. врезку). После окончания инфляции в свои права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью. Такая эволюция растянулась на 9 млрд лет, после чего в дело вступило еще одно антигравитационное поле неизвестной природы, которое именуют темной энергией. Оно опять вывело Вселенную в режим экспоненциального расширения, который вроде бы должен сохраниться и в будущие времена. Следует отметить, что эти выводы базируются на астрофизических открытиях, сделанных в конце прошлого века, почти через 20 лет после появления инфляционной космологии.

Впервые инфляционная интерпретация Большого взрыва была предложена около 30 лет назад и с тех пор многократно шлифовалась. Эта теория позволила разрешить несколько фундаментальных проблем, с которыми не справилась предшествующая космология. Например, она объяснила, почему мы живем во Вселенной с плоской евклидовой геометрией — в соответствии с классическими уравнениями Фридмана, именно такой она и должна сделаться при экспоненциальном расширении. Инфляционная теория объяснила, почему космическая материя обладает зернистостью в масштабах, не превышающих сотен миллионов световых лет, а на больших дистанциях распределена равномерно. Она также дала истолкование неудачи любых попыток обнаружить магнитные монополи, очень массивные частицы с одиночным магнитным полюсом, которые, как считается, в изобилии рождались перед началом инфляции (инфляция так растянула космическое пространство, что первоначально высокая плотность монополей сократилась почти до нуля, и поэтому наши приборы не могут их обнаружить).

Космологическая инфляция

Согласно инфляционной модели, Вселенная вскоре после своего рождения очень короткое время экспоненциально расширялась, многократно удваивая свои линейные размеры.

Согласно инфляционной модели, Вселенная вскоре после своего рождения очень короткое время экспоненциально расширялась, многократно удваивая свои линейные размеры. Ученые полагают, что начало этого процесса совпало по времени с отделением сильного взаимодействия и произошло на временной отметке в 10–36 с. Такое расширение (с легкой руки американского физика-теоретика Сидни Коулмена его стали называть космологической инфляцией) было крайне непродолжительным (до 10–34 с), однако увеличило линейные размеры Вселенной как минимум в 1030–1050 раз, а возможно, что и много больше.

В соответствии с большинством конкретных сценариев, инфляцию запустило антигравитационное квантовое скалярное поле, плотность энергии которого постепенно уменьшалась и, в конце концов, дошла до минимума. Перед тем как это случилось, поле стало быстро осциллировать, порождая элементарные частицы. В результате к окончанию инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой, состоящей из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения.

В соответствии с большинством конкретных сценариев, инфляцию запустило антигравитационное квантовое скалярное поле, плотность энергии которого постепенно уменьшалась и, в конце концов, дошла до минимума. Перед тем как это случилось, поле стало быстро осциллировать, порождая элементарные частицы. В результате к окончанию инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой, состоящей из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения.

Вскоре после появления инфляционной модели несколько теоретиков поняли, что ее внутренняя логика не противоречит идее перманентного множественного рождения все новых и новых вселенных. В самом деле, квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать в любом количестве, если для этого имеются подходящие условия. Не исключено, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода, также способную к космологическому «деторождению». Существуют модели, в которых такие дочерние вселенные возникают непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и находят свое собственное место. При этом вовсе не обязательно, что в таких мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Все эти миры «вложены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем настолько, что никак не ощущают присутствия друг друга. В общем, концепция инфляции позволяет — более того, вынуждает!– считать, что в исполинском мегакосмосе существует множество изолированных друг от друга вселенных с различным устройством.

Множественные вселенные. Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, которые непрерывно отпочковываются от существующих. Множественные вселенные
Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, которые непрерывно отпочковываются от существующих.

Физики-теоретики любят придумывать альтернативы даже самым общепринятым теориям. Появились конкуренты и у инфляционной модели Большого взрыва. Они не получили широкой поддержки, но имели и имеют своих последователей. Теория Стейнхардта и Тьюрока среди них не первая и наверняка не последняя. Однако на сегодняшний день она разработана детальней остальных и лучше объясняет наблюдаемые свойства нашего мира. Она имеет несколько версий, из которых одни базируются на теории квантовых струн и многомерных пространств, а другие полагаются на традиционную квантовую теорию поля. Первый подход дает более наглядные картинки космологических процессов, так что на нем и остановимся.

Самый продвинутый вариант теории струн известен как М-теория. Она утверждает, что физический мир имеет 11 измерений — десять пространственных и одно временное. В нем плавают пространства меньших размерностей, так называемые браны. Наша Вселенная — просто одна из таких бран, обладающая тремя пространственными измерениями. Ее заполняют различные квантовые частицы (электроны, кварки, фотоны и т. д.), которые на самом деле являются разомкнутыми вибрирующими струнами с единственным пространственным измерением — длиной. Концы каждой струны намертво закреплены внутри трехмерной браны, и покинуть брану струна не может. Но есть и замкнутые струны, которые могут мигрировать за пределы бран — это гравитоны, кванты поля тяготения.

Как же циклическая теория объясняет прошлое и будущее мироздания? Начнем с нынешней эпохи. Первое место сейчас принадлежит темной энергии, которая заставляет нашу Вселенную расширяться по экспоненте, периодически удваивая размеры. В результате плотность материи и излучения постоянно падает, гравитационное искривление пространства слабеет, а его геометрия становится все более плоской. В течение следующего триллиона лет размеры Вселенной удвоятся около ста раз, и она превратится в практически пустой мир, полностью лишенный материальных структур. Рядом с нами находится еще одна трехмерная брана, отделенная от нас на ничтожное расстояние в четвертом измерении, и она тоже претерпевает аналогичное экспоненциальное растяжение и уплощение. Все это время дистанция между бранами практически не меняется.

Циклическое мироздание. Момент Большого взрыва — это столкновение бран. Выделяется огромное количество энергии, браны разлетаются, происходит замедляющееся расширение, вещество и излучение остывают, образуются галактики. Расширение вновь ускоряется за счет положительной плотности межбрановой энергии, а затем замедляется, геометрия становится плоской. Браны притягиваются друг к другу, перед столкновением квантовые флуктуации усиливаются и преобразуются в деформации пространственной геометрии, которые в будущем станут зародышами галактик. Происходит столкновение, и цикл начинается сначала. Циклическое мироздание
Момент Большого взрыва — это столкновение бран. Выделяется огромное количество энергии, браны разлетаются, происходит замедляющееся расширение, вещество и излучение остывают, образуются галактики. Расширение вновь ускоряется за счет положительной плотности межбрановой энергии, а затем замедляется, геометрия становится плоской. Браны притягиваются друг к другу, перед столкновением квантовые флуктуации усиливаются и преобразуются в деформации пространственной геометрии, которые в будущем станут зародышами галактик. Происходит столкновение, и цикл начинается сначала.

А потом эти параллельные браны начинают сближаться. Их толкает друг к другу силовое поле, энергия которого зависит от расстояния между бранами. Сейчас плотность энергии такого поля положительна, поэтому пространство обеих бран расширяется по экспоненте, — следовательно, именно это поле и обеспечивает эффект, который объясняют наличием темной энергии! Однако этот параметр постепенно уменьшается и через триллион лет упадет до нуля. Обе браны все равно продолжат расширяться, но уже не по экспоненте, а в очень медленном темпе. Следовательно, в нашем мире плотность частиц и излучения так и останется почти что нулевой, а геометрия — плоской.

Но окончание старой истории — лишь прелюдия к очередному циклу. Браны перемещаются навстречу друг другу и, в конце концов, сталкиваются. На этой стадии плотность энергии межбранового поля опускается ниже нуля, и оно начинает действовать наподобие гравитации (напомню, что у тяготения потенциальная энергия отрицательна!). Когда браны оказываются совсем близко, межбрановое поле начинает усиливать квантовые флуктуации в каждой точке нашего мира и преобразует их в макроскопические деформации пространственной геометрии (например, за миллионную долю секунды до столкновения расчетный размер таких деформаций достигает нескольких метров). После столкновения именно в этих зонах выделяется львиная доля высвобождаемой при ударе кинетической энергии. В итоге именно там возникает больше всего горячей плазмы с температурой порядка 1023 градусов. Именно эти области становятся локальными узлами тяготения и превращаются в зародыши будущих галактик.

Такое столкновение заменяет Большой взрыв инфляционной космологии. Очень важно, что вся возникшая заново материя с положительной энергией появляется за счет накопленной отрицательной энергии межбранового поля, поэтому закон сохранения энергии не нарушается.

А как ведет себя такое поле в этот решающий момент? До столкновения плотность его энергии достигает минимума (причем отрицательного), затем начинает возрастать, а при столкновении становится нулевой. Затем браны отталкиваются друг от друга и начинают расходиться. Плотность межбрановой энергии проходит обратную эволюцию — опять делается отрицательной, нулевой, положительной. Обогащенная материей и излучением брана сначала расширяется с падающей скоростью под тормозящим воздействием собственного тяготения, а потом вновь переходит к экспоненциальному расширению. Новый цикл заканчивается подобно прежнему — и так до бесконечности. Циклы, предшествующие нашему, происходили и в прошлом — в этой модели время непрерывно, поэтому прошлое существует и за пределами 13,7 млрд лет, прошедших после последнего обогащения нашей браны материей и излучением! Было ли у них вообще какое-то начало, теория умалчивает.

Циклическая теория по-новому объясняет свойства нашего мира. Он обладает плоской геометрией, поскольку к концу каждого цикла непомерно растягивается и лишь немного деформируется перед началом нового цикла. Квантовые флуктуации, которые становятся предшественниками галактик, возникают хаотически, но в среднем равномерно — поэтому космическое пространство заполнено сгустками материи, но на очень больших дистанциях вполне однородно. Мы не можем обнаружить магнитные монополи просто потому, что максимальная температура новорожденной плазмы не превышала 1023К, а для возникновения таких частиц потребны много большие энергии — порядка 1027К.

Радикальная альтернатива

1980-х годах профессор Стейнхардт внес немалый вклад в разработку стандартной теории Большого взрыва. Однако это ничуть не помешало ему искать радикальную альтернативу теории, в которую вложено столько труда. Как рассказал Пол Стейнхардт, гипотеза инфляции действительно раскрывает много космологических загадок, но это не означает, что нет смысла искать и другие объяснения: «Сначала мне было просто интересно попробовать разобраться в основных свойствах нашего мира, не прибегая к инфляции. Позднее, когда я углубился в эту проблематику, я убедился, что инфляционная теория совсем не так совершенна, как утверждают ее сторонники. Когда инфляционная космология только создавалась, мы надеялись, что она объяснит переход от первоначального хаотического состояния материи к нынешней упорядоченной Вселенной. Она это и сделала — но пошла много дальше. Внутренняя логика теории потребовала признать, что инфляция постоянно творит бесконечное число миров. В этом не было бы ничего страшного, если бы их физическое устройство копировало наше собственное, но этого как раз и не получается. Вот, скажем, с помощью инфляционной гипотезы удалось объяснить, почему мы живем в плоском евклидовом мире, но ведь большинство других вселенных заведомо не будет обладать такой же геометрией. Короче говоря, мы строили теорию для объяснения своего собственного мира, а она вышла из-под контроля и породила бесконечное разнообразие экзотических миров. Такое положение дел перестало меня устраивать. К тому же стандартная теория не способна объяснить природу более раннего состояния, предшествовавшего экспоненциальному расширению. В этом смысле она так же неполна, как и доинфляционная космология. Наконец, она не в состоянии ничего сказать о природе темной энергии, которая уже 5 млрд. лет управляет расширением нашей Вселенной».

Циклическая теория существует в нескольких версиях, как и теория инфляции. Однако, по словам Пола Стейнхардта, различия между ними чисто технические и интересны лишь специалистам, общая концепция же остается неизменной: «Во-первых, в нашей теории нет никакого момента начала мира, никакой сингулярности. Есть периодические фазы интенсивного рождения вещества и излучения, каждую из которых при желании можно называть Большим взрывом. Но любая из этих фаз знаменует не возникновение новой вселенной, а лишь переход от одного цикла к другому. И пространство, и время существуют и до, и после любого из этих катаклизмов. Поэтому вполне закономерно спросить, каким было положение дел за 10 млрд лет до последнего Большого взрыва, от которого отсчитывают историю мироздания.

Второе ключевое отличие — природа и роль темной энергии. Инфляционная космология не предсказывала перехода замедляющегося расширения Вселенной в ускоренное. А когда астрофизики открыли это явление, наблюдая за вспышками далеких сверхновых звезд, стандартная космология даже не знала, что с этим делать. Гипотезу темной энергии выдвинули просто для того, чтобы как-то привязать к теории парадоксальные результаты этих наблюдений. А наш подход гораздо лучше скреплен внутренней логикой, поскольку темная энергия у нас присутствует изначально и именно она обеспечивает чередование космологических циклов». Впрочем, как отмечает Пол Стейнхардт, есть у циклической теории и слабые места: «Нам пока не удалось убедительно описать процесс столкновения и отскока параллельных бран, имеющий место в начале каждого цикла. Прочие аспекты циклической теории разработаны куда лучше, а здесь предстоит устранить еще немало неясностей».

Монопольная бомба

Отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер постоянно размышлял о создании сверхмощного оружия. Как-то он обедал с известным физиком-теоретиком и космологом Нилом Тьюроком, и тот рассказал, что занимается магнитными монополями — гипотетическими частицами, обладающими не электрическим, а магнитным зарядом. К ужасу собеседника, Теллер немедленно начал прикидывать, как использовать монополи в роли начинки для супербомбы.

Что же это за частица? Согласно классической и квантовой электродинамике, источником электромагнитного поля служат электрические заряды и электрические токи. В принципе, можно предположить, что существуют и магнитные заряды, которые переносят особого рода частицы, проявляющие себя как одиночные магнитные полюса. Поток таких магнитных монополей может сформировать специфический ток — опять-таки, не электрический, а магнитный. Магнитные заряды и магнитные токи легко вводятся в уравнения Максвелла, отчего те только делаются более симметричными. В 1894 году эта идея пришла в голову Пьеру Кюри, который не только работал с радиоактивными элементами, но также много занимался магнитными явлениями. Кюри ограничился тем, что изложил ее в короткой заметке, поскольку такие заряды и токи никто и никогда не наблюдал.

Но даже самые красивые теоретические модели нуждаются в опытной проверке. Можно ли подтвердить или опровергнуть циклическую космологию с помощью наблюдений? «Обе теории, и инфляционная, и циклическая, предсказывают существование реликтовых гравитационных волн, — объясняет Пол Стейнхардт.– В первом случае они возникают из первичных квантовых флуктуаций, которые в ходе инфляции размазываются по пространству и порождают периодические колебания его геометрии, — а это, согласно общей теории относительности, и есть волны тяготения. В нашем сценарии первопричиной таких волн также служат квантовые флуктуации — те самые, что усиливаются при столкновении бран. Вычисления показали, что каждый механизм порождает волны, обладающие специфическим спектром и специфической поляризацией. Эти волны обязаны были оставить отпечатки на космическом микроволновом излучении, которое служит бесценным источником сведений о раннем космосе. Пока такие следы обнаружить не удалось, но, скорее всего, это будет сделано в течение ближайшего десятилетия. Кроме того, физики уже думают о прямой регистрации реликтовых гравитационных волн с помощью космических аппаратов, которые появятся через два-три десятка лет».

Еще одно различие, по словам профессора Стейнхардта, состоит в распределении температур фонового микроволнового излучения: «Это излучение, приходящее из разных участков небосвода, не вполне однородно по температуре, в нем есть более и менее нагретые зоны. На том уровне точности измерений, который обеспечивает современная аппаратура, количество горячих и холодных зон примерно одинаково, что совпадает с выводами обеих теорий — и инфляционной, и циклической. Однако эти теории предсказывают более тонкие различия между зонами. В принципе, их сможет выявить запущенная в прошлом году европейская космическая обсерватория "Планк" и другие новейшие космические аппараты. Я надеюсь, что результаты этих экспериментов помогут сделать выбор между инфляционной и циклической теориями. Но может случиться и так, что ситуация останется неопределенной и ни одна из теорий не получит однозначной экспериментальной поддержки. Ну что ж, тогда придется придумать что-нибудь новое».

Заряд для супербомбы. Вакуумное поле в центре монополя сохраняет экзотические свойства, которое имело до автономизации сильного взаимодействия. Как объяснил  профессор теоретической физики Стэнфордского университета Леонард Сасскинд, такое поле должно катализировать распад протона. Поэтому протон при столкновении с монополем обязан превращаться в более легкие частицы, такие как нейтральный пион и позитрон. Это будет настоящей аннигиляцией, причем для нее не нужна никакая антиматерия. Идеальная начинка для супербомбы!

Заряд для супербомбы Вакуумное поле в центре монополя сохраняет экзотические свойства, которое имело до автономизации сильного взаимодействия. Как объяснил профессор теоретической физики Стэнфордского университета Леонард Сасскинд, такое поле должно катализировать распад протона. Поэтому протон при столкновении с монополем обязан превращаться в более легкие частицы, такие как нейтральный пион и позитрон. Это будет настоящей аннигиляцией, причем для нее не нужна никакая антиматерия. Идеальная начинка для супербомбы!

Следующий шаг сделал Поль Дирак в 1931 году. Он обнаружил, что гипотеза магнитного монополя не только не противоречит принципам квантовой физики, но даже ведет к весьма интересным следствиям. Его вычисления показали, что произведение любого электрического заряда на заряд монополя равно половине произведения постоянной Планка на скорость света, помноженной на целое число или ноль (последнее означает отсутствие монополей в природе, поскольку электрические заряды заведомо существуют). Из формулы Дирака вытекает, что в системе СГС минимальный заряд монополя почти в 70 раз превышает заряд электрона. Поэтому монополь очень сильно отклоняется магнитными полями и может быть легко обнаружен — на фотоэмульсии или же в камере Вильсона. С 1951 года эти частицы искали в космических лучах, а позднее и на ускорителях, но неизменно без всякого успеха. Все говорило за то, что либо монополей не существует вообще, либо они не появляются в окрестностях Солнечной системы.

В своей статье о монополях Дирак отметил, что, поскольку они разрешены квантовой механикой, «было бы удивительно, если бы природа не воспользовалась такой возможностью». А в 1974 году Александр Поляков и Герард Хоофт показали, что при определенных условиях в юной Вселенной монополи просто обязаны были появиться на свет. Этот вывод следует из целого класса теорий, описывающих отношения между фундаментальными взаимодействиями вскоре после Большого взрыва. Когда возраст Вселенной составлял 10–36 секунды, сильное взаимодействие отделилось от электрослабого и обрело самостоятельное существование. При этом в вакууме образовались точечные топологические дефекты, своего рода узлы, несущие в своих центральных ядрах гигантскую энергию и потому обладающие огромной массой, как минимум в 1015 раз превышающей массу протона. Это и были магнитные монополи — вернее, их зародыши. В монополи они превратились после того, как электрослабое взаимодействие тоже разделилось надвое и появился настоящий электромагнетизм. И тогда-то протомономоли предстали в завершенном обличье частиц с одиночными магнитными полюсами.

Замороженные монополи

Вакуумное поле в центре монополя сохраняет экзотические свойства, которое имело до автономизации сильного взаимодействия. Как объяснил  профессор теоретической физики Стэнфордского университета Леонард Сасскинд, такое поле должно катализировать распад протона. Поэтому протон при столкновении с монополем обязан превращаться в более легкие частицы, такие как нейтральный пион и позитрон. Это будет настоящей аннигиляцией, причем для нее не нужна никакая антиматерия. Идеальная начинка для супербомбы!

Осенью 2009 года в журнале Science были опубликованы работы двух научных групп — германо-британской под руководством ученых из немецкого Центра Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB) и французско-британской под руководством исследователей из Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле, — которые продемонстрировали твердотельные модели магнитных монополей, реализованные на титанате диспрозия (Dy2Ti2O7). У этого материала в каждом узле кристаллической решетки имеются четыре свободных магнитных спина, допускающих различную ориентацию. Это похоже на конфигурацию молекул воды во льду, поэтому такие материалы носят общее название «спиновый лед».

Спиновое спагетти

Спиновое спагетти. В спиновом льду при низких температурах в магнитном поле возникает сеть из переплетенных спиновых цепочек («спиновое спагетти»), которые выглядят на расстояниях много больше атомных подобно струнам Дирака — гипотетическим одномерным объектам, на концах которых находятся монополи и антимонополи. Струны Дирака в оригинальной модели ненаблюдаемы, их концы считаются свободными частицами.

В спиновом льду при низких температурах в магнитном поле возникает сеть из переплетенных спиновых цепочек («спиновое спагетти»), которые выглядят на расстояниях много больше атомных подобно струнам Дирака — гипотетическим одномерным объектам, на концах которых находятся монополи и антимонополи. Струны Дирака в оригинальной модели ненаблюдаемы, их концы считаются свободными частицами.

Разумеется, это не настоящие монополи, а их имитация — специфические квазичастичные коллективные возбуждения в средах с особыми магнитными свойствами, которые при нейтронном сканировании проявляют себя на больших масштабах как монополи. В более мелких масштабах это сходство исчезает. Микроскопическое магнитное поле «спиновых спагетти» не образует особенностей на концах, в то время как поле настоящего монополя вблизи него стремится к бесконечности.

Если эта теория верна, почему монополи не удается обнаружить? Частицы со столь гигантской массой невозможно создать ни на одном ускорителе, но нет их и в космических лучах. Согласно стандартной космологической теории, монополи возникли перед началом инфляционного расширения Вселенной, которое так растянуло пространство, что их плотность снизилась до ненаблюдаемых значений. Если верить циклической космологии, Вселенная никогда не нагревалась до температур, при которых возможно рождение монополей. Так что либо плотность этих частиц чересчур мала, либо они просто не существуют.

Циклическая вселенная: круги на микроволновых полях

С подобным сенсационным заявлением выступил недавно всемирно известный оксфордский астрофизик Роджер Пенроуз (Roger Penrose). По его словам, данные о фоновом микроволновом (реликтовом) излучении Вселенной, собранные американским зондом WMAP, подтвеждают, в общем-то, маргинальную для современной космологии идею о «циклической Вселенной».

Здесь стоит напомнить, что согласно куда более распространенной инфляционной модели Вселенной все мироздание родилось около 13,7 млрд. лет назад из точки бесконечной плотности в результате Большого Взрыва, и с тех пор продолжает расширяться. В наше время расширение это происходит со все большей скоростью, и в конце концов, скорее всего, приведет Вселенную в полностью однородное и холодное состояние.

Круги на полях

Ученые связывают найденные ими круги с результатами столкновений сверхмассивных черных дыр в конце существования той Вселенной, которая была до Большого взрыва.

Ученые связывают найденные ими круги с результатами столкновений сверхмассивных черных дыр в конце существования той Вселенной, которая была до Большого взрыва.

Таким образом, полагают ученые, все мы живем в циклической Вселенной, в которой конец одной эпохи (эона) совпадает с началом другой. И этот процесс проходит бесконечно.

Свои результаты Пенроуз и Гурзадян получили на основе наблюдений с космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA), предназначенного для исследования реликтового излучения. Проверка результатов была сделана по данным эксперимента BOOMERanG, который включал в себя наблюдение анизотропии реликтового излучения при помощи аппаратуры, расположенной на воздушном шаре, летающем над Антарктикой.

Работа Пенроуза и Гурзадяна (она была опубликована на сайте препринтов ArXiv.org, которую можно скачать здесь: Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity) еще будет подвергнута тщательному анализу как со стороны самих ученых, так и со стороны всего научного сообщества. Но если в итоге их выводы окажутся правильными, то эта работа станет как раз таким фундаментальным открытием, эпоха которых, как некоторым кажется, уже закончилась, и гораздо дальше отодвинет «конец науки». Той самой науки, занятия которой сегодня многие считают скучными и нудными.

Пенроуз же начинает с известной проблемы, пока неразрешенной в рамках этой модели – с бесконечно низкой энтропии изначального состояния Вселенной, невероятно высокого уровня упорядоченности, которая с тех пор непрерывно убывает. По мнению ученого, более разумной выглядит версия о циклической природе Вселенной, в которой каждый Большой Взрыв – лишь один из бесконечной череды, открывающий новый этап существования мира.

В какой-то далекий от нас момент, по Пенроузу, Вселенная придет в состояние, весьма напоминающее состояние, предшествовавшее «нашему» Большому Взрыву. Форма, геометрия Вселенной будет становиться все более плоской и однородной, что и позволит ей совершить невероятный переход от состояния бесконечной протяженности к бесконечной малости, чтобы снова развернуться новым Большим Взрывом. Энтропия в момент этого перехода будет чрезвычайно мала, поскольку по мере растяжения Вселенной главные ее носители – черные дыры – все полностью испарятся.

Пенроуз утверждает, что подтверждения этой гипотезе обнаруживаются в реликтовом излучении – чрезвычайно слабом и холодном микроволновом фоне, равномерно пронизывающем всю Вселенную. Считается, что оно – лишь слабое эхо мощного излучения, бушевавшего в мироздании, когда оно насчитывало порядка пары сотен тысяч лет от роду. Сегодня же реликтовый фон очень слаб и однороден, температурные различия в нем составляют тысячные доли градусов, но и они могут многое сказать нам о состоянии молодой Вселенной. Недаром за открытие анизотропии реликтового излучения несколько лет назад была вручена Нобелевская премия.

Пенроуз вооружается картой аномалий в реликтовом излучении, составленной по данным американского зонда WMAP и проанализированной вместе с армянским физиком Вахой Гурзадяном (Vahe Gurzadyan). По их словам, в структуре этих аномалий обнаруживаются совершенно определенные концентрические окружности, температура излучения в пределах этих кругов слегка ниже, чем вне их.

Именно эти круги, по мнению Пенроуза и Гурзадяна, позволяют нам «видеть сквозь Большой Взрыв», являясь следами, оставленные в пределах нашего цикла существования Вселенной гравитационными волнами, которые создали черные дыры, погибшие в конце предыдущего цикла. В любом случае, ученые отмечают, что в рамках инфляционной модели интерпретировать эти циклические окружности пока не представляется возможным, ведь согласно ей все флуктуации температуры реликтового излучения должны распределяться случайным образом.

Пока трудно сказать, насколько справедливы эти выводы – для начала, как отметил один коллега Пенроуза, нужно убедиться в реальности существования этих окружностей в данных WMAP, а также в том, что они не вызваны какими-нибудь пока невыявленными аберрациями. Если же они действительно имеются, это действительно поставит новую проблему перед инфляционной моделью, сторонникам которой придется в очередной раз как-то выкручиваться.

Без сингулярности

Что же придумали Стейнхардт и Тюрок для объяснения природы таинственной энергетической субстанции и ее поведения во времени?

Согласно их базовой теории, темная энергия — это единое энергетическое поле, пронизывающее всю Вселенную, в основном заполненную вакуумом. Далее изобретательные «циклики» воспользовались идеей, впервые предложенной американцем Ларри Эбботтом в 1985 году: по его версии, плотность энергии вакуума на более ранних этапах эволюции Вселенной была намного выше. Эбботт также постулировал, что этот процесс понижения плотности вакуума происходил не постепенно, а скачками, причем каждый новый скачок занимал большее время, чем предшествующий.

Однако когда Эбботт попытался смоделировать этот сценарий в рамках классической теории Большого взрыва, выяснилось, что для достижения текущего значения плотности вакуума требуется время, намного превосходящее 15 млрд лет, прошедших с момента «начала всех начал».

Мейнстрим такой расчет, разумеется, не устроил, зато Стейнхардт и Тюрок с удовольствием ухватились за эту идею Эбботта, так как она отлично укладывалась в их циклическую модель, в которой каждый цикл длится порядка одного триллиона лет. По новейшей версии Стейнхардта и Тюрока, фактически повторивших идею Эбботта, плотность вакуума снижается с каждым новым вселенским циклом и даже внутри них. Снижение происходит не постепенно, а рывками, то есть после каждого падения плотности наступает очень долгая пауза (так называемый период релаксации, который к тому же имеет свойство все более и более удлиняться), в течение которой ее величина остается постоянной.

Таким образом, согласно новой циклической теории, в далеком прошлом (несколько сотен, а то и тысяч циклов назад, каждый из которых, напомним, составляет, по Стейнхардту—Тюроку, около триллиона лет) величина лямбда-члена (этот термин, равнозначный плотности вакуума, они позаимствовали у мейнстрима) была очень большой. В свою очередь, это означает, что тогда, триллионы триллионов лет назад, в нашей Вселенной не могли возникнуть условия для появления сколько-нибудь значимых неоднородностей (скоплений «правещества»), и, соответственно, древнейшая Вселенная представляла собой абсолютно безжизненное пространство, на 99,99% заполненное лишь пресловутым вакуумом.

И лишь относительно недавно — «всего лишь» несколько циклов назад, а быть может, и того меньше — снижение плотности вакуумного поля дошло до таких значений, когда у обычного вещества, формируемого в начале каждого нового цикла, наконец появилась возможность превратиться в те крупномасштабные космические неоднородности (галактики, звезды и проч.), которые и характеризуют структуру поздней Вселенной с очень маленьким значением лямбда-члена.

При этом температура и плотность вещества во Вселенной ни в какой точке цикла не становятся бесконечными, то есть для них есть какие-то предельные величины. Что же касается нынешней однородности и «гладкости» Вселенной, то они объясняются не какими-то «инфляционными фокусами», случившимися с ней в считанные доли секунды после Большого взрыва, а эволюционной логикой событий, происходивших во Вселенной до него: физические процессы, происходящие в предшествующем цикле, оказывают определяющее влияние на процессы в следующем.

На чем основывается эта прихотливая эволюционная логика? Прежде всего на новейших суперструнных теориях, согласно которым Вселенная состоит из большого количества измерений, некоторые из которых просто не доступны нашему восприятию (суммарное число измерений, по разным версиям, варьируется от пяти до одиннадцати). В наиболее простом варианте, обычно используемом в своих объяснениях Стейнхардтом и Тюроком, наша Вселенная — это трехмерная гиперповерхность, разместившаяся на тонкой плоской мембране. Развивая далее эти сюрреалистические образы, Пол Стейнхардт предлагает и такую своеобразную аналогию: все обычное вещество (кварки, электроны, фотоны и т. д.) можно уподобить мухам на этой «липучке-мембране».

На самом деле мембрана не одна — их две. На протяжении сотен миллиардов лет две мембраны-Вселенные благодаря разгоняющему действию темной энергии, присутствующей в обоих мирах, разглаживаются, постепенно лишаясь всех изначально имеющихся в них неоднородностей (галактик, звезд и т. п.). Это разглаживание (уменьшение плотности вещества) в конце концов приводит к тому, что вещество и излучение на мембранах практически полностью рассеиваются (космическое пространство пустеет). И на этом конечном этапе цикла в дело наконец активно вступает промежуточное гравитационное поле, которое заставляет две соседние мембраны сталкиваться (коллапсировать) друг с другом. В момент коллапса (условного аналога Большого взрыва, который происходит по всей поверхности контактирующих друг с другом параллельных мембран) на обеих мембранах происходит одномоментное образование многочисленных неоднородностей (иными словами, возникают колоссальные флуктуации температуры и плотности), которые и становятся зародышами вещества и излучения нового цикла. Важнейшим отличием новой циклической модели от более ранних версий начала ХХ века ее авторы считают тот факт, что в их сценарии циклических коллапсов мембран трехмерные гиперповерхности-Вселенные в момент коллапса сами не сжимаются (то есть в этом циклическом взрыве не возникает пресловутых точек сингулярности), а сжимается лишь то самое дополнительное измерение — гравитационное поле, которое находится между ними.

Алексей Левин

14 Декабря 2011, 3:37    Den    26412    3

Комментарии (3):

nop1984  •  14 Декабря 2011, 11:40

интересная статья, спасибо 

Roman  •  15 Декабря 2011, 14:05

поясните, периодическая теория говорит только про расширение-разглаживание-столкновение, то есть мембраны вообще не сжимаются, расширяясь всё больше с каждым циклом? Как я понял, они раздвигаются-сдвигаются до столкновения, порождая кучу частиц внутри, но "внутри себя" только расширяются? Тогда всё-таки откуда идёт подкачка энергии?

И, насколько я помню, время испарения сверхбольших чёрных дыр зашкаливает за 10^100, про какие триллионы лет говорится, потребные для их испарения?

Emris  •  19 Июля 2013, 1:01

Очень интересно и познавательно)Спасибо!

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.