Всесвіт без початку й кінця

Згідно з теорією Великого вибуху, наш Всесвіт має цілком конкретний вік, який нині оцінюють у 13,7 млрд років. Досить мало для такого значного об’єкта, як Всесвіт, чи не так?

Великий вибух та інфляція

Модель Великого вибуху (Big Bang) бере початок у дослідженнях, які в 1920-х роках провели петербурзький математик Олександр Фрідман і бельгійський астрофізик Жорж Леметр (Georges Lemattre). Завершеного вигляду теорія набула близько 1948 р. у працях Георгія Гамова та двох його асистентів (у 1934 р. Гамов емігрував із СРСР до США, де отримав кафедру в столичному Університеті Джорджа Вашингтона). Після того як у 1964 р. американські радіоастрономи Арно Пензіас (Arno Penzias) і Роберт Вілсон (Robert Wilson) відкрили мікрохвильове випромінювання, передбачене теорією Великого вибуху, вона отримала нове життя й швидко набула статусу стандартної моделі народження Всесвіту.

Як початкова теорія Великого вибуху, так і її пізніші версії стверджували, що після свого виникнення Всесвіт безперервно розширювався, але швидкість розширення постійно зменшувалася через гальмівну дію всесвітнього тяжіння. Однак на початку 1980-х років Олексій Старобінський з Інституту теоретичної фізики ім. Ландау та співробітник теоретичного відділу Стенфордського лінійного прискорювача Алан Гут (Alan Guth) незалежно один від одного виявили, що відмова від цього припущення піде моделі на користь.

Раніше доводилося припускати, що через якийсь дивний збіг обставин Всесвіт уже в момент народження був практично ідеально плоским і майже однорідно заповненим частинками та випромінюванням. Старобінський і Гут висунули гіпотезу, що невдовзі після народження Всесвіт упродовж 10^-34 секунди розширювався зі швидкістю, яка швидко зростала, і щонайменше сто разів подвоїв свої розміри. Звідси випливало, що спочатку він міг бути сильно викривленим і неоднорідним за складом, оскільки внаслідок розтягування все одно мав стати плоским і всюди однаковим, за винятком найдрібніших флуктуацій, які ставали зародками перших зір і галактик.

Надшвидке роздування простору з легкої руки американського фізика-теоретика Сідні Коулмана (Sidney Coleman) почали називати космологічною інфляцією. Спочатку ця модель мала низку недоліків, які невдовзі усунули завдяки працям наукового співробітника ФІАН, а нині професора Стенфордського університету Андрія Лінде та фізиків із Пенсильванського університету Пола Стейнхардта (Paul Steinhardt) й Андреаса Альбрехта (Andreas Albrecht).

Інфляційні моделі переважно сходяться на тому, що інфляцію запустило скалярне квантове поле, яке зазвичай називають інфлатоном. Це поле діяло протилежно до тяжіння й тому спричиняло розширення простору. Оскільки густина його енергії спочатку зменшувалася дуже незначно, воно розтягувало простір із незмінною силою, що й було причиною інфляції. Однак із часом поле почало втрачати енергію, яка зрештою досягла стійкого мінімуму й залишилася на цьому рівні. На цьому етапі інфляція припинилася. Перед цим поле швидко осцилювало, породжуючи електромагнітне випромінювання та елементарні частинки. Унаслідок цього до завершення інфляційної фази Всесвіт заповнився гамма-квантами й цілим букетом частинок — кварками, електронами, нейтрино та ще не відкритими, але, найімовірніше, наявними частинками темної матерії. Потім у свої права вступило тяжіння, і Всесвіт продовжив розширюватися, але вже зі швидкістю, що зменшувалася.

Фрагмент анімації.

Невдовзі після створення інфляційної моделі кілька теоретиків зрозуміли, що її внутрішня логіка не суперечить ідеї постійного множинного народження дедалі нових всесвітів. Справді, квантові флуктуації, подібні до тих, яким ми завдячуємо існуванням нашого світу, можуть виникати в будь-якій кількості за відповідних умов. Не виключено, що наша світобудова виникла з флуктуаційної зони, сформованої у світі-попереднику. Можна навіть припустити, що колись і десь у нашому власному Всесвіті утвориться флуктуація, яка «видує» молодий всесвіт. Є моделі, у яких дочірні всесвіти виникають безперервно, відбруньковуються від материнських і живуть власним життям; при цьому зовсім не обов'язково, щоб усюди діяли ті самі фізичні закони. Усі ці світи «вкладені» в єдиний просторово-часовий континуум, але рознесені в ньому настільки, що зовсім не відчувають присутності один одного. Загалом концепція інфляції не лише дозволяє, а й прямо змушує дійти висновку, що у велетенському «мегакосмосі» існує багато ізольованих один від одного всесвітів із різним устроєм.

А якщо без інфляції?

Пол Стейнхардт.

Фізики-теоретики люблять переглядати навіть найусталеніші концепції. Тому не дивно, що конкуренти з'явилися й в інфляційної інтерпретації Великого вибуху. Одну з таких моделей запропонував той самий Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt), який свого часу допоміг закласти основи інфляційної космології. Тепер він очолює Центр теоретичної фізики в Принстоні (www.physics.princeton.edu/~steinh/). У створенні нової теорії йому допоміг Ніл Тюрок (Neil Turok), який до 2008 р. керував відділенням математичної фізики Кембриджського університету, а потім став директором Інституту теоретичної фізики «Периметр» у канадському місті Ватерлоо, провінція Онтаріо. Отже, обидва автори належать до найвищої еліти сучасної фізики.

Ніл Тюрок.

Основи нової теорії вони виклали в розрахованій на досить широку аудиторію монографії Endless Universe: «Beyond the Big Bang», опублікованій у 2007 р. видавництвом Doubleday. Модель Стейнхардта й Тюрока існує в кількох версіях, але я розповім про найнаочнішу. Вона ґрунтується на розробленому наприкінці минулого століття узагальненні теорії квантових суперструн, відомому як М-теорія. Ця теорія стверджує, що фізичний світ має просторові виміри й один часовий [речення в оригіналі пошкоджене]. У ньому плавають простори меншої розмірності, так звані брани (скорочення від «мембрани»). Наш Всесвіт — лише одна з таких бран із трьома просторовими вимірами.

Усі справді елементарні частинки, що існують у Всесвіті, — електрони, кварки, нейтрино, фотони тощо — насправді є розімкненими вібруючими, нескінченно тонкими й надзвичайно короткими струнами. Кінці кожної такої струни міцно закріплені всередині нашої тривимірної брани, тому струна не може її залишити. Звідси випливає, що всі частинки назавжди замкнені в межах нашого рідного простору. Але є й замкнені в кільця струни — це гравітони, переносники поля тяжіння. Дуже важливо, що струнні кільця не зчеплені з певними бранами й тому можуть вільно переміщуватися між ними. Цим гравітація принципово відрізняється від електромагнітної взаємодії, яку переносять фотони, приречені на полон усередині брани.

Модель Стейнхардта й Тюрока стверджує, що Великий вибух зовсім не був початком Всесвіту. Подивімося, як вона працює, почавши з нашої космологічної епохи. Оскільки Всесвіт нині розширюється зі зростанням швидкості, густина матерії й випромінювання постійно зменшується. Як випливає із загальної теорії відносності, гравітаційне викривлення простору слабшає, а його геометрія стає дедалі ближчою до ідеально плоскої. Упродовж наступного трильйона років розміри Всесвіту подвояться близько ста разів, і він перетвориться на майже порожній світ без матеріальних структур. Те саме стверджує й інфляційна космологія, яка враховує існування темної енергії. Отже, на цей період передбачення обох теорій світобудови цілком збігаються.

Множинне народження всесвітів.

А далі починаються відмінності. Інфляційна космологія просто передбачає для нашого Всесвіту вічне розширення, якому не завадить навіть можливе народження дочірніх всесвітів. Стейнхардт і Тюрок бачать його майбутнє інакше. За їхньою гіпотезою, поруч із нами плаває інша тривимірна брана, відокремлена проміжком майже нульової ширини. Вона зазнає тієї самої еволюції: подібно до нас розширюється, стає плоскішою та порожніє. Увесь цей час відстань між бранами практично не змінюється. Але мине трильйон років, і брани почнуть зближуватися. Їх пов'язує силове поле, дія якого залежить від ширини проміжку. Нині воно перешкоджає зближенню бран і водночас із прискоренням розтягує простір обох — тобто саме воно, по суті, діє як темна енергія. Однак у майбутньому воно змінить знак і почне підштовхувати брани назустріч одна одній.

Зрештою обидві брани зіткнуться, загальмуються й знову почнуть розходитися. При цьому виділиться величезна кількість енергії, яка нагріє наш спорожнілий світ до надвисоких температур і знову збагатить його частинками та випромінюванням. Цей катаклізм запустить черговий цикл розширення й охолодження Всесвіту. Модель Стейнхардта й Тюрока стверджує, що такі цикли відбувалися в минулому й неодмінно повторюватимуться в майбутньому. Чи мали вони взагалі якийсь початок, теорія не говорить.

Обкладинка книжки. У 2007 р. П. Стейнхардт і Н. Тюрок опублікували науково-популярну книжку Endless Universe: The Big Bang and Beyond про сучасні космологічні теорії.

За цим сценарієм історія світобудови складається з великої, можливо, навіть нескінченної кількості окремих циклів. Кожен цикл починається зі стадії інтенсивного народження надгарячої речовини й випромінювання. За бажання цю стадію можна назвати Великим вибухом. Але кожна з цих фаз знаменує не виникнення нового всесвіту, а лише перехід від одного циклу до іншого. І простір, і час існують як до, так і після кожного з цих катаклізмів. Тому нова модель не потребує гіпотези космологічної інфляції, яку свого часу запропонували для усунення проблем, що випливали з теорії народження Всесвіту під час Великого вибуху.

У нової моделі поки мало прихильників, і це природно. По-перше, вона виглядає надто екзотично; по-друге, інфляційна космологія настільки добре пояснює всі спостережувані характеристики Всесвіту, що змінювати її на щось інше начебто немає сенсу. Однак Стейнхардт вважає, що початкові умови запуску інфляції, як їх описано в теорії Гута та його послідовників, статистично незрівнянно менш правдоподібні, ніж картина виникнення світобудови, запропонована новою теорією. Інакше кажучи, ймовірність реалізації цих умов незрівнянно менша за ймовірність народження від початку плоского Всесвіту. Якщо прийняти цей погляд, пошук альтернативних моделей видається цілком розумним.

Зрештою все вирішать спостереження. Інфляційна космологія стверджує, що Всесвіт мають пронизувати хвилі тяжіння певного типу, яким немає місця в циклічній моделі. Поки що гравітаційні хвилі ще не відкриті — ні ті, які, ймовірно, залишилися від стадії інфляційного розширення Всесвіту, ні будь-які інші (наприклад, хвилі, які мають випромінювати пари нейтронних зір, що обертаються одна навколо одної). Проте астрофізики будують і будуватимуть дедалі чутливіші детектори гравітаційного випромінювання, тож реєстрація космічних гравітаційних сигналів, найімовірніше, вже не за горами. Якщо не вдасться виявити хвилі, передбачені інфляційною космологією, багато теоретиків займуться конкурентними теоріями, зокрема й циклічною моделлю. Принаймні на це сподівається Пол Стейнхардт , про що він написав в одному з випусків Scientific American.

Нейтральна думка

Активні розробники інфляційної космології, звісно, не приймають гіпотезу Стейнхардта й Тюрока. Шукаючи нейтральнішої оцінки, я звернувся до одного з найвизначніших американських астрофізиків, професора Гарвардського університету Аві Леба (Avi Loeb). Він зазначив, що наука завжди вітає появу альтернатив навіть найкраще перевіреним теоріям.

На його думку, Стейнхардту й Тюроку поки не вдалося показати, що їхню модель можна математично вивести з якоїсь фундаментальної фізичної теорії. Нині вона спирається лише на кілька недоведених припущень, а це не надто міцна основа. Крім того, цю модель поки практично неможливо перевірити, оскільки вона мало що передбачає, окрім відсутності хвиль тяжіння, прогнозованих інфляційною космологією. Навіть якщо гравітаційні детектори нового покоління не виявлять таких хвиль, із цього ще не випливатиме, що циклічну модель слід вважати доведеною. Водночас Аві Леб не приховував, що вважає модель дуже дотепною й буде лише радий, якщо її авторам вдасться знайти для неї міцний фундамент.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.