За трильйон років до Великого вибуху

Теорія Великого вибуху користується довірою абсолютної більшості вчених, які вивчають ранню історію нашого Всесвіту. Вона й справді пояснює дуже багато і ні в чому не суперечить експериментальним даним. Однак нещодавно в неї з’явився конкурент в особі нової, циклічної теорії, основи якої розробили двоє фізиків найвищого класу — директор Інституту теоретичної науки Принстонського університету Пол Стейнхардт і лауреат медалі Максвелла та престижної міжнародної премії TED Ніл Тьюрок, директор канадського Інституту перспективних досліджень у 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 видатися не надто розумним жартом. Згідно із загальноприйнятою космологічною концепцією, теорією Великого вибуху, наш Всесвіт виник з екстремального стану фізичного вакууму, породженого квантовою флуктуацією. У цьому стані не існувало ні часу, ні простору (або вони були сплутані у просторово-часову піну), а всі фундаментальні фізичні взаємодії були злиті воєдино. Згодом вони розділилися й набули самостійного буття — спочатку гравітація, потім сильна взаємодія, а вже після цього — слабка й електромагнітна.

Момент, що передував цим змінам, заведено позначати як нульовий час, t = 0, однак це суто умовне позначення, данина математичному формалізму. Згідно зі стандартною теорією, неперервний плин часу почався лише після того, як сила тяжіння набула незалежності. Цьому моменту зазвичай приписують величину t = 10^–43с (точніше, 5,4 × 10^–44с), яку називають планківським часом. Сучасні фізичні теорії просто не здатні осмислено працювати з коротшими проміжками часу (вважається, що для цього потрібна квантова теорія гравітації, якої поки не створено). 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 є концепція інфляції (див. вставку). Після завершення інфляції у свої права вступило тяжіння, і Всесвіт продовжив розширюватися, але вже зі швидкістю, що зменшувалася. Така еволюція розтягнулася на 9 млрд років, після чого в дію вступило ще одне антигравітаційне поле невідомої природи, яке називають темною енергією. Воно знову вивело Всесвіт у режим експоненційного розширення, який нібито має зберегтися й у майбутньому. Слід зазначити, що ці висновки ґрунтуються на астрофізичних відкриттях, зроблених наприкінці минулого століття, майже через 20 років після появи інфляційної космології.

Уперше інфляційну інтерпретацію Великого вибуху запропонували близько 30 років тому, і відтоді її багаторазово вдосконалювали. Ця теорія дала змогу розв’язати кілька фундаментальних проблем, з якими не впоралася попередня космологія. Наприклад, вона пояснила, чому ми живемо у Всесвіті з плоскою евклідовою геометрією — відповідно до класичних рівнянь Фрідмана, саме таким він і має стати за експоненційного розширення. Інфляційна теорія пояснила, чому космічна матерія має зернистість у масштабах, що не перевищують сотень мільйонів світлових років, а на більших відстанях розподілена рівномірно. Вона також дала пояснення невдачі всіх спроб виявити магнітні монополі — дуже масивні частинки з одним магнітним полюсом, які, як вважається, у великій кількості народжувалися перед початком інфляції (інфляція так розтягнула космічний простір, що початкова висока густина монополів скоротилася майже до нуля, і тому наші прилади не можуть їх виявити).

Космологічна інфляція

Згідно з інфляційною моделлю, Всесвіт невдовзі після свого народження протягом дуже короткого часу експоненційно розширювався, багаторазово подвоюючи свої лінійні розміри. Учені вважають, що початок цього процесу збігся в часі з відокремленням сильної взаємодії та відбувся на часовій позначці 10^–36 с. Таке розширення (з легкої руки американського фізика-теоретика Сідні Коулмена його стали називати космологічною інфляцією) було вкрай нетривалим (до 10^–34 с), однак збільшило лінійні розміри Всесвіту щонайменше в 10³⁰–10⁵⁰ разів, а можливо, і значно більше.

Відповідно до більшості конкретних сценаріїв, інфляцію запустило антигравітаційне квантове скалярне поле, густина енергії якого поступово зменшувалася і, зрештою, досягла мінімуму. Перед тим як це сталося, поле почало швидко осцилювати, породжуючи елементарні частинки. У результаті на кінець інфляційної фази Всесвіт заповнила надгаряча плазма, що складалася з вільних кварків, глюонів, лептонів і високоенергетичних квантів електромагнітного випромінювання.

Невдовзі після появи інфляційної моделі кілька теоретиків зрозуміли, що її внутрішня логіка не суперечить ідеї постійного множинного народження дедалі нових всесвітів. І справді, квантові флуктуації, подібні до тих, яким ми завдячуємо існуванням нашого світу, можуть виникати в будь-якій кількості, якщо для цього є відповідні умови. Не виключено, що наш Всесвіт вийшов із флуктуаційної зони, яка сформувалася у світі-попереднику. Так само можна припустити, що колись і десь у нашому власному Всесвіті утвориться флуктуація, яка «видує» юний всесвіт зовсім іншого роду, також здатний до космологічного «дітонародження». Існують моделі, у яких такі дочірні всесвіти виникають безперервно, відбруньковуються від своїх батьківських всесвітів і знаходять власне місце. При цьому зовсім не обов’язково, що в таких світах установлюються ті самі фізичні закони. Усі ці світи «вкладені» в єдиний просторово-часовий континуум, але рознесені в ньому настільки, що ніяк не відчувають присутності один одного. Загалом, концепція інфляції дозволяє — ба більше, змушує! — вважати, що у велетенському мегакосмосі існує безліч ізольованих один від одного всесвітів із різним устроєм.

Множинні всесвіти
Інфляційна теорія допускає утворення множинних дочірніх всесвітів, які безперервно відбруньковуються від наявних.

Фізики-теоретики люблять вигадувати альтернативи навіть найбільш загальноприйнятим теоріям. З’явилися конкуренти й в інфляційної моделі Великого вибуху. Вони не здобули широкої підтримки, але мали й мають своїх послідовників. Теорія Стейнхардта і Тьюрока серед них не перша і напевно не остання. Однак на сьогодні вона розроблена докладніше за решту й краще пояснює спостережувані властивості нашого світу. Вона має кілька версій, з яких одні ґрунтуються на теорії квантових струн і багатовимірних просторів, а інші спираються на традиційну квантову теорію поля. Перший підхід дає наочніші картини космологічних процесів, тож на ньому й зупинимося.

Найрозвиненіший варіант теорії струн відомий як М-теорія. Вона стверджує, що фізичний світ має 11 вимірів — десять просторових і один часовий. У ньому плавають простори меншої вимірності, так звані брани. Наш Всесвіт — просто одна з таких бран, що має три просторові виміри. Її заповнюють різні квантові частинки (електрони, кварки, фотони і т. д.), які насправді є розімкненими вібруючими струнами з єдиним просторовим виміром — довжиною. Кінці кожної струни намертво закріплені всередині тривимірної брани, і залишити брану струна не може. Але є й замкнені струни, які можуть мігрувати за межі бран — це гравітони, кванти поля тяжіння.

Як же циклічна теорія пояснює минуле й майбутнє світобудови? Почнімо з нинішньої епохи. Перше місце зараз належить темній енергії, яка змушує наш Всесвіт розширюватися за експонентою, періодично подвоюючи розміри. У результаті густина матерії та випромінювання постійно падає, гравітаційне викривлення простору слабшає, а його геометрія стає дедалі плоскішою. Протягом наступного трильйона років розміри Всесвіту подвояться близько ста разів, і він перетвориться на практично порожній світ, цілком позбавлений матеріальних структур. Поруч із нами розташована ще одна тривимірна брана, відокремлена від нас на мізерну відстань у четвертому вимірі, і вона теж зазнає аналогічного експоненційного розтягнення й сплощення. Увесь цей час відстань між бранами практично не змінюється.

Циклічна світобудова
Момент Великого вибуху — це зіткнення бран. Виділяється величезна кількість енергії, брани розлітаються, відбувається сповільнюване розширення, речовина й випромінювання охолоджуються, утворюються галактики. Розширення знову прискорюється завдяки додатній густині міжбранної енергії, а потім сповільнюється, геометрія стає плоскою. Брани притягуються одна до одної, перед зіткненням квантові флуктуації посилюються й перетворюються на деформації просторової геометрії, які в майбутньому стануть зародками галактик. Відбувається зіткнення, і цикл починається знову.

А потім ці паралельні брани починають зближуватися. Їх штовхає одна до одної силове поле, енергія якого залежить від відстані між бранами. Зараз густина енергії такого поля додатна, тому простір обох бран розширюється за експонентою, — отже, саме це поле й забезпечує ефект, який пояснюють наявністю темної енергії! Однак цей параметр поступово зменшується і через трильйон років упаде до нуля. Обидві брани все одно продовжать розширюватися, але вже не за експонентою, а в дуже повільному темпі. Отже, у нашому світі густина частинок і випромінювання так і залишиться майже нульовою, а геометрія — плоскою.

Але завершення старої історії — лише прелюдія до чергового циклу. Брани рухаються назустріч одна одній і, зрештою, стикаються. На цій стадії густина енергії міжбранного поля опускається нижче нуля, і воно починає діяти подібно до гравітації (нагадаю, що в тяжіння потенціальна енергія від’ємна!). Коли брани опиняються зовсім близько, міжбранне поле починає посилювати квантові флуктуації в кожній точці нашого світу й перетворює їх на макроскопічні деформації просторової геометрії (наприклад, за мільйонну частку секунди до зіткнення розрахунковий розмір таких деформацій сягає кількох метрів). Після зіткнення саме в цих зонах виділяється левова частка кінетичної енергії, що вивільняється під час удару. У підсумку саме там виникає найбільше гарячої плазми з температурою порядку 10²³ градусів. Саме ці області стають локальними вузлами тяжіння й перетворюються на зародки майбутніх галактик.

Таке зіткнення замінює Великий вибух інфляційної космології. Дуже важливо, що вся новоутворена матерія з додатною енергією з’являється завдяки накопиченій від’ємній енергії міжбранного поля, тому закон збереження енергії не порушується.

А як поводиться таке поле в цей вирішальний момент? До зіткнення густина його енергії сягає мінімуму (причому від’ємного), потім починає зростати, а під час зіткнення стає нульовою. Потім брани відштовхуються одна від одної й починають розходитися. Густина міжбранної енергії проходить зворотну еволюцію — знову стає від’ємною, нульовою, додатною. Збагачена матерією й випромінюванням брана спочатку розширюється зі спадною швидкістю під гальмівною дією власного тяжіння, а потім знову переходить до експоненційного розширення. Новий цикл закінчується так само, як попередній, — і так до нескінченності. Цикли, що передують нашому, відбувалися й у минулому — у цій моделі час неперервний, тому минуле існує й за межами 13,7 млрд років, які минули після останнього збагачення нашої брани матерією та випромінюванням! Чи мали вони взагалі якийсь початок, теорія замовчує.

Циклічна теорія по-новому пояснює властивості нашого світу. Він має плоску геометрію, оскільки наприкінці кожного циклу надмірно розтягується й лише трохи деформується перед початком нового циклу. Квантові флуктуації, які стають попередниками галактик, виникають хаотично, але в середньому рівномірно — тому космічний простір заповнений згустками матерії, але на дуже великих відстанях цілком однорідний. Ми не можемо виявити магнітні монополі просто тому, що максимальна температура новонародженої плазми не перевищувала 10²³К, а для виникнення таких частинок потрібні значно більші енергії — порядку 10²⁷К.

Циклічна теорія існує в кількох версіях, як і теорія інфляції. Однак, за словами Пола Стейнхардта, відмінності між ними суто технічні й цікаві лише фахівцям, а загальна концепція залишається незмінною: «По-перше, у нашій теорії немає жодного моменту початку світу, жодної сингулярності. Є періодичні фази інтенсивного народження речовини та випромінювання, кожну з яких за бажання можна називати Великим вибухом. Але будь-яка із 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 із цих катаклізмів. Тому цілком закономірно запитати, яким був стан справ за 10 млрд років до останнього Великого вибуху, від якого відлічують історію світобудови.

Друга ключова відмінність — природа й роль темної енергії. Інфляційна космологія не передбачала переходу сповільнюваного розширення Всесвіту в прискорене. А коли астрофізики відкрили це явище, спостерігаючи за спалахами далеких наднових зір, стандартна космологія навіть не знала, що із цим робити. Гіпотезу темної енергії висунули просто для того, щоб якось прив’язати до теорії парадоксальні результати цих спостережень. А наш підхід значно краще скріплений внутрішньою логікою, оскільки темна енергія в нас присутня від самого початку й саме вона забезпечує чергування космологічних циклів». Утім, як зазначає Пол Стейнхардт, є в циклічної теорії й слабкі місця: «Нам поки не вдалося переконливо описати процес зіткнення й відскоку паралельних бран, що відбувається на початку кожного циклу. Решта аспектів циклічної теорії розроблена набагато краще, а тут ще належить усунути чимало неясностей».

Але навіть найкрасивіші теоретичні моделі потребують дослідної перевірки. Чи можна підтвердити або спростувати циклічну космологію за допомогою спостережень? «Обидві теорії, і інфляційна, і циклічна, передбачають існування реліктових гравітаційних хвиль, — пояснює Пол Стейнхардт. — У першому випадку вони виникають із первинних квантових флуктуацій, які в ході інфляції розмазуються простором і породжують періодичні коливання його геометрії, — а це, згідно із загальною теорією відносності, і є хвилі тяжіння. У нашому сценарії першопричиною таких хвиль також є квантові флуктуації — ті самі, що посилюються під час зіткнення бран. Обчислення показали, що кожен механізм породжує хвилі зі специфічним спектром і специфічною поляризацією. Ці хвилі мали залишити відбитки на космічному мікрохвильовому випромінюванні, яке є безцінним джерелом відомостей про ранній космос. Поки таких слідів виявити не вдалося, але, найімовірніше, це буде зроблено протягом найближчого десятиліття. Крім того, фізики вже думають про пряму реєстрацію реліктових гравітаційних хвиль за допомогою космічних апаратів, які з’являться через два-три десятки років».

Ще одна відмінність, за словами професора Стейнхардта, полягає в розподілі температур фонового мікрохвильового випромінювання: «Це випромінювання, що надходить із різних ділянок небосхилу, не цілком однорідне за температурою, у ньому є більш і менш нагріті зони. На тому рівні точності вимірювань, який забезпечує сучасна апаратура, кількість гарячих і холодних зон приблизно однакова, що збігається з висновками обох теорій — і інфляційної, і циклічної. Однак ці теорії передбачають тонші відмінності між зонами. У принципі, їх зможе виявити запущена минулого року європейська космічна обсерваторія «Планк» та інші новітні космічні апарати. Я сподіваюся, що результати цих експериментів допоможуть зробити вибір між інфляційною і циклічною теоріями. Але може статися й так, що ситуація залишиться невизначеною і жодна з теорій не отримає однозначної експериментальної підтримки. Що ж, тоді доведеться вигадати щось нове».

Заряд для супербомби Вакуумне поле в центрі монополя зберігає екзотичні властивості, які мало до відокремлення сильної взаємодії. Як пояснив професор теоретичної фізики Стенфордського університету Леонард Сасскінд, таке поле має каталізувати розпад протона. Тому протон під час зіткнення з монополем мусить перетворюватися на легші частинки, такі як нейтральний піон і позитрон. Це буде справжньою анігіляцією, причому для неї не потрібна жодна антиматерія. Ідеальна начинка для супербомби!

Наступний крок зробив Поль Дірак у 1931 році. Він виявив, що гіпотеза магнітного монополя не лише не суперечить принципам квантової фізики, а й веде до дуже цікавих наслідків. Його обчислення показали, що добуток будь-якого електричного заряду на заряд монополя дорівнює половині добутку сталої Планка на швидкість світла, помноженій на ціле число або нуль (останнє означає відсутність монополів у природі, оскільки електричні заряди безсумнівно існують). Із 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 його можна легко виявити — на фотоемульсії або ж у камері Вільсона. З 1951 року ці частинки шукали в космічних променях, а згодом і на прискорювачах, але незмінно без жодного успіху. Усе свідчило про те, що або монополів не існує взагалі, або вони не з’являються в околицях Сонячної системи.

У своїй статті про монополі 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 ’т Гофт показали, що за певних умов у юному Всесвіті монополі просто мусили з’явитися на світ. Цей висновок випливає з цілого класу теорій, що описують співвідношення між фундаментальними взаємодіями невдовзі після Великого вибуху. Коли вік Всесвіту становив 10^–36 секунди, сильна взаємодія відокремилася від електрослабкої й набула самостійного існування. При цьому у вакуумі утворилися точкові топологічні дефекти, своєрідні вузли, що несуть у своїх центральних ядрах гігантську енергію й тому мають величезну масу, яка щонайменше в 10¹⁵ разів перевищує масу протона. Це й були магнітні монополі — точніше, їхні зародки. На монополі вони перетворилися після того, як електрослабка взаємодія теж розділилася надвоє і з’явився справжній електромагнетизм. І саме тоді протомонополі постали в завершеному вигляді частинок із поодинокими магнітними полюсами.

Заморожені монополі

Восени 2009 року в журналі Science були опубліковані роботи двох наукових груп — німецько-британської під керівництвом учених із 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 диспрозію (Dy₂Ti₂O₇). У цього матеріалу в кожному вузлі кристалічної ґратки є чотири вільні магнітні спіни, що допускають різну орієнтацію. Це схоже на конфігурацію молекул води в льоді, тому такі матеріали мають загальну назву «спіновий лід».

Спінове спагеті

У спіновому льоді за низьких температур у магнітному полі виникає мережа переплетених спінових ланцюжків («спінове спагеті»), які на відстанях, набагато більших за атомні, виглядають подібно до струн Дірака — гіпотетичних одновимірних об’єктів, на кінцях яких містяться монополі й антимонополі. Струни Дірака в оригінальній моделі неспостережувані, їхні кінці вважаються вільними частинками.

Звісно, це не справжні монополі, а їхня імітація — специфічні квазічастинкові колективні збудження в середовищах з особливими магнітними властивостями, які під час нейтронного сканування проявляють себе у великих масштабах як монополі. У дрібніших масштабах ця схожість зникає. Мікроскопічне магнітне поле «спінових спагеті» не утворює особливостей на кінцях, тоді як поле справжнього монополя поблизу нього прямує до нескінченності.

Якщо ця теорія правильна, чому монополів не вдається виявити? Частинки з такою гігантською масою неможливо створити на жодному прискорювачі, але немає їх і в космічних променях. Згідно зі стандартною космологічною теорією, монополі виникли перед початком інфляційного розширення Всесвіту, яке так розтягнуло простір, що їхня густина знизилася до неспостережуваних значень. Якщо вірити циклічній космології, Всесвіт ніколи не нагрівався до температур, за яких можливе народження монополів. Тож або густина цих частинок надто мала, або вони просто не існують.

Циклічний Всесвіт: кола на мікрохвильових полях

Із подібною сенсаційною заявою нещодавно виступив усесвітньо відомий оксфордський астрофізик Роджер Пенроуз (Roger Penrose). За його словами, дані про фонове мікрохвильове (реліктове) випромінювання Всесвіту, зібрані американським зондом WMAP, підтверджують загалом маргінальну для сучасної космології ідею «циклічного Всесвіту».

Тут варто нагадати, що згідно зі значно поширенішою інфляційною моделлю Всесвіту вся світобудова народилася близько 13,7 млрд років тому з точки нескінченної густини внаслідок Великого вибуху і відтоді продовжує розширюватися. У наш час це розширення відбувається з дедалі більшою швидкістю і зрештою, найімовірніше, приведе Всесвіт до цілком однорідного й холодного стану.

Кола на полях

Учені пов’язують знайдені ними кола з результатами зіткнень надмасивних чорних дір наприкінці існування того Всесвіту, який був до Великого вибуху.

Отже, вважають учені, всі ми живемо в циклічному Всесвіті, у якому кінець однієї епохи (еону) збігається з початком іншої. І цей процес триває нескінченно.

Свої результати Пенроуз і Гурзадян отримали на основі спостережень із космічного апарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA), призначеного для дослідження реліктового випромінювання. Результати перевірили за даними експерименту BOOMERanG, який передбачав спостереження анізотропії реліктового випромінювання за допомогою апаратури на повітряній кулі, що літала над Антарктикою.

Робота Пенроуза й Гурзадяна (її опубліковано на сайті препринтів ArXiv.org, завантажити можна тут: Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity) ще зазнає ретельного аналізу як з боку самих учених, так і з боку всієї наукової спільноти. Але якщо зрештою їхні висновки виявляться правильними, то ця робота стане саме таким фундаментальним відкриттям, епоха яких, на думку декого, вже закінчилася, і набагато далі відсуне «кінець науки». Тієї самої науки, заняття якою сьогодні багато хто вважає нудними й виснажливими.

Пенроуз же починає з відомої проблеми, досі не розв’язаної в межах цієї моделі, — з нескінченно низької ентропії початкового стану Всесвіту, неймовірно високого рівня впорядкованості, яка відтоді безперервно зменшується. На думку вченого, розумнішою виглядає версія про циклічну природу Всесвіту, у якій кожен Великий вибух — лише один із нескінченної низки, що відкриває новий етап існування світу.

У якийсь далекий від нас момент, за Пенроузом, Всесвіт прийде до стану, що дуже нагадуватиме стан перед «нашим» Великим вибухом. Форма, геометрія Всесвіту ставатиме дедалі плоскішою й одноріднішою, що й дасть йому змогу здійснити неймовірний перехід від стану нескінченної протяжності до нескінченної малості, щоб знову розгорнутися новим Великим вибухом. Ентропія в момент цього переходу буде надзвичайно малою, оскільки в міру розтягнення Всесвіту головні її носії — чорні діри — усі повністю випаруються.

Пенроуз стверджує, що підтвердження цієї гіпотези виявляються в реліктовому випромінюванні — надзвичайно слабкому й холодному мікрохвильовому фоні, який рівномірно пронизує весь Всесвіт. Вважається, що воно — лише слабке відлуння потужного випромінювання, яке вирувало у Всесвіті, коли тому було близько кількох сотень тисяч років від народження. Сьогодні ж реліктовий фон дуже слабкий і однорідний, температурні відмінності в ньому становлять тисячні частки градуса, але й вони можуть багато розповісти нам про стан молодого Всесвіту. Недарма за відкриття анізотропії реліктового випромінювання кілька років тому було вручено Нобелівську премію.

Пенроуз озброюється картою аномалій у реліктовому випромінюванні, складеною за даними американського зонда WMAP і проаналізованою разом із вірменським фізиком Ваге Гурзадяном (Vahe Gurzadyan). За їхніми словами, у структурі цих аномалій виявляються цілком певні концентричні кола, температура випромінювання в межах цих кіл трохи нижча, ніж поза ними.

Саме ці кола, на думку Пенроуза й Гурзадяна, дозволяють нам «бачити крізь Великий вибух», будучи слідами, залишеними в межах нашого циклу існування Всесвіту гравітаційними хвилями, які створили чорні діри, що загинули наприкінці попереднього циклу. У будь-якому разі вчені зазначають, що в межах інфляційної моделі інтерпретувати ці циклічні кола поки неможливо, адже згідно з нею всі флуктуації температури реліктового випромінювання мають розподілятися випадково.

Поки важко сказати, наскільки справедливі ці висновки: для початку, як зазначив один колега Пенроуза, потрібно переконатися, що ці кола справді існують у даних WMAP, а також що вони не спричинені якимись іще не виявленими абераціями. Якщо ж вони справді є, це поставить нову проблему перед інфляційною моделлю, прихильникам якої доведеться знову якось викручуватися.

Без сингулярності

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

Згідно з їхньою базовою теорією, темна енергія — це єдине енергетичне поле, яке пронизує весь Всесвіт, переважно заповнений вакуумом. Далі винахідливі «цикліки» скористалися ідеєю, яку вперше запропонував американець Ларрі Ебботт у 1985 році: за його версією, густина енергії вакууму на ранніших етапах еволюції Всесвіту була набагато вищою. Ебботт також постулював, що цей процес зниження густини вакууму відбувався не поступово, а стрибками, причому кожен новий стрибок тривав довше за попередній.

Однак коли Ебботт спробував змоделювати цей сценарій у межах класичної теорії Великого вибуху, з’ясувалося, що для досягнення поточного значення густини вакууму потрібен час, який набагато перевищує 15 млрд років, що минули від моменту «початку всіх початків».

Панівний науковий напрям такий розрахунок, звісно, не влаштував, зате Стейнхардт і Тьюрок залюбки вхопилися за цю ідею Ебботта, оскільки вона чудово вписувалася в їхню циклічну модель, у якій кожен цикл триває близько одного трильйона років. За найновішою версією Стейнхардта й Тьюрока, які фактично повторили ідею Ебботта, густина вакууму знижується з кожним новим циклом Всесвіту й навіть усередині циклів. Зниження відбувається не поступово, а ривками, тобто після кожного падіння густини настає дуже довга пауза (так званий період релаксації, який до того ж має властивість дедалі подовжуватися), протягом якої її величина залишається сталою.

Отже, згідно з новою циклічною теорією, у далекому минулому (кілька сотень, а то й тисяч циклів тому, кожен з яких, нагадаємо, становить, за Стейнхардтом — Тьюроком, близько трильйона років) величина лямбда-члена (цей термін, рівнозначний густині вакууму, вони запозичили в панівного наукового напряму) була дуже великою. Своєю чергою, це означає, що тоді, трильйони трильйонів років тому, у нашому Всесвіті не могли виникнути умови для появи скільки-небудь значних неоднорідностей (скупчень «праречовини»), і, відповідно, найдавніший Всесвіт являв собою абсолютно безжиттєвий простір, на 99,99% заповнений лише тим самим вакуумом.

І лише відносно нещодавно — «усього лише» кілька циклів тому, а можливо, й менше — зниження густини вакуумного поля дійшло до таких значень, за яких звичайна речовина, що формується на початку кожного нового циклу, нарешті отримала змогу перетворитися на ті великомасштабні космічні неоднорідності (галактики, зорі тощо), які й характеризують структуру пізнього Всесвіту з дуже малим значенням лямбда-члена.

При цьому температура й густина речовини у Всесвіті в жодній точці циклу не стають нескінченними, тобто для них є певні граничні величини. Що ж до нинішньої однорідності й «гладкості» Всесвіту, то вони пояснюються не якимись «інфляційними фокусами», що сталися з ним за лічені частки секунди після Великого вибуху, а еволюційною логікою подій, які відбувалися у Всесвіті до нього: фізичні процеси попереднього циклу мають визначальний вплив на процеси в наступному.

На чому ґрунтується ця примхлива еволюційна логіка? Передусім на новітніх суперструнних теоріях, згідно з якими Всесвіт складається з великої кількості вимірів, деякі з яких просто недоступні нашому сприйняттю (сумарна кількість вимірів, за різними версіями, варіюється від п’яти до одинадцяти). У найпростішому варіанті, який зазвичай використовують у своїх поясненнях Стейнхардт і Тьюрок, наш Всесвіт — це тривимірна гіперповерхня, розміщена на тонкій плоскій мембрані. Розвиваючи далі ці сюрреалістичні образи, Пол Стейнхардт пропонує й таку своєрідну аналогію: усю звичайну речовину (кварки, електрони, фотони тощо) можна уподібнити мухам на цій «липучці-мембрані».

Насправді мембрана не одна — їх дві. Упродовж сотень мільярдів років дві мембрани-всесвіти завдяки прискорювальній дії темної енергії, присутньої в обох світах, розгладжуються, поступово втрачаючи всі початково наявні в них неоднорідності (галактики, зорі тощо). Це розгладжування (зменшення густини речовини) зрештою призводить до того, що речовина й випромінювання на мембранах практично повністю розсіюються (космічний простір порожніє). І на цьому кінцевому етапі циклу в дію нарешті активно вступає проміжне гравітаційне поле, яке змушує дві сусідні мембрани стикатися (колапсувати) одна з одною. У момент колапсу (умовного аналога Великого вибуху, який відбувається по всій поверхні паралельних мембран, що контактують одна з одною) на обох мембранах одночасно утворюються численні неоднорідності (інакше кажучи, виникають колосальні флуктуації температури й густини), які й стають зародками речовини та випромінювання нового циклу. Найважливішою відмінністю нової циклічної моделі від раніших версій початку ХХ століття її автори вважають те, що в їхньому сценарії циклічних колапсів мембран тривимірні гіперповерхні-всесвіти в момент колапсу самі не стискаються (тобто в цьому циклічному вибуху не виникає тих самих точок сингулярності), а стискається лише той самий додатковий вимір — гравітаційне поле, яке міститься між ними.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.