Чи був Великий вибух початком часу, чи Всесвіт існував і до нього? Років десять тому таке запитання здавалося безглуздим. У роздумах про те, що було до Великого вибуху, космологи бачили не більше сенсу, ніж у пошуках шляху, що веде від Північного полюса на північ. Але розвиток теоретичної фізики і, зокрема, поява теорії струн змусили вчених знову замислитися про епоху до початку.
Питання про першопочаток здавна цікавило філософів і богословів. Воно переплітається з багатьма фундаментальними проблемами, що знайшли своє відображення у знаменитій картині Поля Гогена «D'ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Звідки ми прийшли? Хто ми такі? Куди ми йдемо?»). Полотно зображує одвічний цикл: народження, життя і смерть — походження, ідентифікацію та призначення кожного індивіда. Намагаючись розібратися у своєму походженні, ми простежуємо свій родовід до минулих поколінь, ранніх форм життя і протожиття, хімічних елементів, що виникли в молодому Всесвіті, і, нарешті, до аморфної енергії, яка колись заповнювала простір. Чи сягає коріння нашого родинного дерева в нескінченність, чи космос так само не вічний, як і ми?
Огляд: струнна космологія
- Здавна філософи сперечаються про те, чи має Всесвіт певне походження, чи він існував завжди. Загальна теорія відносності передбачає скінченність буття — Всесвіт, що розширюється, мав виникнути внаслідок Великого вибуху.
- Однак на самому початку Великого вибуху теорія відносності не діяла, оскільки всі процеси, що відбувалися в той момент, мали квантовий характер. У теорії струн, яка претендує на звання квантової теорії гравітації, вводиться нова фундаментальна фізична стала — мінімальний квант довжини. Унаслідок цього старий сценарій Всесвіту, народженого у Великому вибуху, стає неспроможним.
- Великий вибух усе ж відбувся, але густина матерії в той момент не була нескінченною, а Всесвіт, можливо, існував і до нього. Симетрія теорії струн передбачає, що час не має ні початку, ні кінця. Всесвіт міг виникнути майже порожнім і сформуватися до моменту Великого вибуху або пройти кілька циклів загибелі та відродження. У будь-якому разі епоха до Великого вибуху справила величезний вплив на сучасний космос. Ще давні греки запекло сперечалися про походження часу. Аристотель відкидав ідею про наявність якогось початку, пояснюючи це тим, що з нічого ніщо не виникає. А оскільки Всесвіт не міг виникнути з небуття, отже, він існував завжди. Таким чином, час має нескінченно простягатися в минуле і в майбутнє. Християнські богослови обстоювали протилежну точку зору. Так, Блаженний Августин стверджував, що Бог існує поза простором і часом і може створювати їх так само, як і інші аспекти нашого світу. На запитання «Що Бог робив, перш ніж створив світ?» знаменитий теолог відповідав: «Час сам є частиною Божого творіння, просто не було ніякого “перш ніж”!»
Сучасні космологи дійшли подібного висновку на підставі загальної теорії відносності Ейнштейна, згідно з якою простір і час — м'які, податливі сутності. У всесвітніх масштабах простір за своєю природою динамічний: з часом він розширюється або стискається, захоплюючи за собою матерію. У 1920-х рр. астрономи підтвердили, що наш Всесвіт нині розширюється: галактики віддаляються одна від одної. З цього випливає, що час не може нескінченно простягатися в минуле — ще в 1960-х рр. це довели Стівен Гокінг (Steven Hawking) і Роджер Пенроуз (Roger Penrose). Якщо ми переглядатимемо космічну історію у зворотному порядку, то побачимо, як усі галактики наче провалюються в чорну діру і стискаються в єдину нескінченно малу точку — сингулярність. При цьому густина матерії, її температура і кривина простору-часу прямують до нескінченності. На сингулярності наш космічний родовід обривається і далі в минуле простягатися не може.
Дивний збіг
Неминуча сингулярність становить серйозну космологічну проблему. Зокрема, вона погано узгоджується з високим ступенем однорідності та ізотропності, якими характеризується Всесвіт у глобальному масштабі. Якщо космос у широкому розумінні слова став усюди однаковим, отже, між віддаленими областями простору існував якийсь зв'язок, що координував його властивості. Однак це суперечить старій космологічній парадигмі.
Розгляньмо, що відбулося за 13,7 млрд років, які минули з моменту виникнення реліктового випромінювання. Через розширення Всесвіту відстань між галактиками зросла в 10 тис. разів, тоді як радіус спостережуваного Всесвіту збільшився значно більше — приблизно в 1 млн разів (тому що швидкість світла перевищує швидкість розширення). Сьогодні ми спостерігаємо ті області Всесвіту, які не могли б бачити 13,7 млрд років тому. Уперше в космічній історії світло від найвіддаленіших галактик досягло Чумацького Шляху.
Проте властивості Чумацького Шляху загалом такі самі, як у віддалених галактик. Якщо на вечірці ви зустрінете двох однаково одягнених людей, то це можна пояснити простим збігом. Однак якщо в схожому вбранні будуть десять людей — отже, вони заздалегідь домовилися про форму одягу. Сьогодні ми спостерігаємо десятки тисяч незалежних ділянок небесної сфери зі статистично ідентичними характеристиками реліктового фону. Можливо, такі області простору вже при народженні були однаковими, тобто однорідність Всесвіту — простий збіг. Однак фізики запропонували два правдоподібніші пояснення: на початковій стадії розвитку Всесвіт був або набагато меншим, або набагато старішим, ніж вважалося раніше.
Найчастіше перевагу віддають першій альтернативі. Вважається, що молодий Всесвіт пройшов період інфляції, тобто розширення з прискоренням. До нього галактики (точніше, їхні прабатьки) були дуже щільно упаковані й тому стали схожими одна на одну. Під час інфляції вони втратили контакт, бо світло не встигало за шаленим розширенням. Коли інфляція закінчилася, розширення почало сповільнюватися і галактики знову опинилися в полі зору одна одної.
Причиною стрімкого інфляційного сплеску фізики вважають потенціальну енергію, накопичену через $10^{-35}$ с після Великого вибуху в особливому квантовому полі — інфлатоні. Потенціальна енергія, на відміну від маси спокою та кінетичної енергії, спричиняє гравітаційне відштовхування. Тяжіння звичайної матерії сповільнювало б розширення, а інфлатон, навпаки, прискорював його. Теорія інфляції, що з'явилася в 1981 р., точно пояснює результати цілої низки спостережень (див. спеціальний репортаж «Чотири ключі до космології», «В мире науки», №5, 2004 р.). Однак досі не зрозуміло, чим був інфлатон і звідки в нього взялося стільки потенціальної енергії.
Друга альтернатива передбачає відмову від сингулярності. Якщо час почався не в момент Великого вибуху, а Всесвіт виник задовго до початку нинішнього космічного розширення, то матерія мала достатньо часу, щоб плавно самоорганізуватися. Тому вчені вирішили переглянути міркування, що приводять до думки про сингулярність.
Дві версії початку
У нашому Всесвіті, що розширюється, галактики розбігаються, мов натовп, що розходиться. Вони віддаляються одна від одної зі швидкістю, пропорційною відстані між ними: галактики, розділені 500 млн світлових років, розбігаються вдвічі швидше, ніж галактики, віддалені одна від одної на 250 млн світлових років. Таким чином, усі галактики, які ми спостерігаємо, мали в момент Великого вибуху одночасно стартувати з одного й того самого місця. Це справедливо навіть у тому разі, якщо космічне розширення проходить періоди прискорення і сповільнення. На діаграмах простору і часу (див. нижче) галактики переміщуються звивистими шляхами в спостережувану частину простору та з неї (жовтий клин). Однак поки що точно невідомо, що саме відбувалося в той момент, коли галактики (або їхні попередники) почали розлітатися.
Рис. 1.
| У стандартній моделі з Великим вибухом, заснованій на загальній теорії відносності, відстань між будь-якими двома галактиками в певний момент нашого минулого дорівнювала нулю. До цього моменту час не має сенсу. | У моделях, що враховують квантові ефекти, у момент старту будь-які дві галактики були розділені певною мінімальною відстанню. Такі сценарії не виключають можливості існування Всесвіту до Великого вибуху. |
Досить сумнівним видається припущення, що теорія відносності справедлива завжди. Адже вона не враховує квантових ефектів, які мали домінувати поблизу сингулярності. Щоб остаточно в усьому розібратися, потрібно включити загальну теорію відносності до квантової теорії гравітації. Над цим завданням теоретики билися ще з часів Ейнштейна, але лише в середині 1980-х рр. справа зрушила з мертвої точки.
Еволюція революції
Сьогодні розглядаються два підходи. У теорії петльової квантової гравітації теорія відносності залишається по суті недоторканою, змінюється лише процедура її застосування в квантовій механіці (див. статтю Лі Смоліна «Атоми простору і часу», «В мире науки», №4, 2004 р.). Останніми роками прихильники петльової квантової гравітації досягли великих успіхів і глибокого розуміння, однак їхній підхід недостатньо кардинальний для розв'язання фундаментальних проблем квантування тяжіння. З подібною проблемою зіткнулися фахівці з теорії елементарних частинок. У 1934 р. Енріко Фермі (Enrico Fermi) запропонував ефективну теорію слабкої ядерної взаємодії, але спроби побудувати її квантовий варіант спочатку зазнали фіаско. Потрібна була не нова методика, а концептуальні зміни, які були втілені в теорії електрослабкої взаємодії, запропонованій Шелдоном Ґлешоу (Sheldon Glashow), Стівеном Вайнбергом (Steven Weinberg) і Абдусом Саламом (Abdus Salam) наприкінці 1960-х рр.
Перспективнішим мені видається другий підхід — теорія струн, справді революційна модифікація теорії Ейнштейна. Вона виросла з моделі, запропонованої мною в 1968 р. для опису ядерних частинок (протонів і нейтронів) та їхніх взаємодій. На жаль, модель виявилася не зовсім вдалою, і через кілька років від неї відмовилися, віддавши перевагу квантовій хромодинаміці, згідно з якою протони й нейтрони складаються з кварків. Останні поводяться так, наче пов’язані між собою пружними струнами. Спочатку теорію струн було присвячено опису струнних властивостей ядерного світу. Однак невдовзі її почали розглядати як можливий варіант об’єднання загальної теорії відносності та квантової механіки.
Основна ідея полягає в тому, що елементарні частинки — не точкові, а нескінченно тонкі одновимірні об’єкти, які називають струнами. Широке сімейство різноманітних елементарних частинок відображається в множині можливих форм коливань струни. Як же така нехитра теорія описує складний світ частинок та їхніх взаємодій? Секрет у так званій магії квантових струн. Щойно правила квантової механіки застосовують до струни, що вібрує і вздовж якої коливання поширюються зі швидкістю світла, у неї з’являються нові властивості, тісно пов’язані з фізикою елементарних частинок і космологією.
По-перше, квантові струни мають скінченний розмір. Звичайну (неквантову) скрипкову струну можна було б розрізати навпіл, потім одну з половинок знову розірвати на дві частини і так далі, поки не утворилася б точкова частинка з нульовою масою. Однак принцип невизначеності Гейзенберга не дозволяє нам розділити струну на частини завдовжки менше ніж приблизно $10^{-34}$ м. Найменший квант довжини позначають ls, і він є природною константою, яка в теорії струн стоїть в одному ряду зі швидкістю світла c та сталою Планка h.
По-друге, навіть безмасові квантові струни можуть мати момент імпульсу. У класичній фізиці тіло з нульовою масою не може мати моменту імпульсу, оскільки його визначають як добуток швидкості, маси та відстані до осі. Але квантові флуктуації змінюють ситуацію. Момент імпульсу крихітної струни може сягати 2h, навіть якщо її маса дорівнює нулю, що точно відповідає властивостям переносників усіх відомих фундаментальних сил, таких як фотон і гравітон. Історично саме ця особливість моменту імпульсу привернула увагу до теорії струн як до кандидата на звання теорії квантової гравітації.
По-третє, квантові струни потребують існування додаткових просторових вимірів. Класична скрипкова струна коливатиметься незалежно від того, якими є властивості простору й часу. Квантова струна вибагливіша: рівняння, що описують її коливання, залишаються несуперечливими лише в тому разі, якщо простір-час сильно викривлений (що суперечить спостереженням) або містить шість додаткових вимірів.
По-четверте, фізичні сталі, які визначають властивості природи та входять до рівнянь, що відображають закон Кулона і закон всесвітнього тяжіння, перестають бути незалежними, фіксованими константами. У теорії струн їхні значення динамічно задаються полями, схожими на електромагнітне. Можливо, напруженість полів була неоднаковою протягом різних космологічних епох або у віддалених ділянках простору. Теорія струн отримає вагоме експериментальне підтвердження, якщо вченим вдасться зареєструвати хоча б незначну зміну фізичних констант.
Центральне місце в теорії струн посідає одне з таких полів — дилатон. Воно визначає загальну силу всіх взаємодій. Величину дилатона можна витлумачити як розмір додаткового просторового виміру — 11-го за рахунком.
| ТЕОРІЯ СТРУН |
Теорія струн — найперспективніша (хоча й не єдина) теорія, що намагається описати, що відбувалося в момент Великого вибуху. Струни являють собою матеріальні об’єкти, дуже схожі на струни скрипки. Коли скрипаль переміщує пальці по деці інструмента, він зменшує довжину струн і спричиняє підвищення частоти коливань і, отже, їхньої енергії. Якщо вкоротити струну до субсубатомних розмірів, почнуть діяти квантові ефекти, що перешкоджають подальшому зменшенню довжини. 
Субатомна струна може не лише переміщуватися цілком або коливатися, а й закручуватися, як пружина. Припустімо, що простір має циліндричну форму. Якщо довжина кола більша за мінімальну допустиму довжину струни, збільшення швидкості переміщення потребує малого приросту енергії, а кожен виток — великого. Однак якщо довжина кола менша за мінімальну довжину, на додатковий виток витрачається менше енергії, ніж на приріст швидкості. Отже, повна ефективна енергія залишається незмінною. Струна не може бути коротшою за квант довжини, тому речовина в принципі не може бути нескінченно щільною. 
|
Зв’язування вільних кінців
Нарешті, квантові струни допомогли фізикам відкрити новий вид природної симетрії — дуалізм, який змінює наше інтуїтивне уявлення про те, що відбувається, коли об’єкти стають надзвичайно малими. Я вже посилався на одну з форм дуалізму: зазвичай довга струна важча за коротку, але якщо ми спробуємо зробити її коротшою за фундаментальну довжину ls, то вона знову почне важчати.
Оскільки струни можуть рухатися складнішими способами, ніж точкові частинки, існує й інша форма симетрії — T-дуалізм, який полягає в тому, що малі й великі додаткові виміри еквівалентні. Розгляньмо замкнену струну (петлю), розташовану в циліндричному просторі, круговий переріз якого являє собою один скінченний додатковий вимір. Струна може не лише коливатися, а й обертатися навколо циліндра або намотуватися на нього (див. рис. вище).
Енергетична вартість обох станів струни залежить від розмірів додаткового виміру. Енергія намотування прямо пропорційна його радіусу: що більший циліндр, то сильніше розтягується струна і то більше енергії вона накопичує. З іншого боку, енергія, пов’язана з обертанням, обернено пропорційна радіусу: циліндрам більшого радіуса відповідають довші хвилі, а отже, нижчі частоти й менші значення енергії. Якщо великий циліндр замінити малим, два стани руху можуть помінятися ролями: енергія, пов’язана з обертанням, може бути забезпечена намотуванням і навпаки. Зовнішній спостерігач помічає лише величину енергії, а не її походження, тому для нього великий і малий радіуси фізично еквівалентні.
Хоча T-дуалізм зазвичай описують на прикладі циліндричних просторів, у яких один із вимірів (коло) скінченний, один із його варіантів застосовується до звичайних трьох вимірів, які, схоже, простягаються безмежно. Про розширення нескінченного простору потрібно говорити обережно. Його повний розмір не може змінитися і залишається нескінченним. Але все ж він здатний розширюватися в тому сенсі, що розташовані в ньому тіла (наприклад, галактики) можуть віддалятися одне від одного. У цьому разі значення має не розмір простору загалом, а його масштабний коефіцієнт, відповідно до якого змінюються відстані між галактиками та їхніми скупченнями, що помітно за червоним зміщенням. Згідно з принципом T-дуалізму, всесвіти і з малими, і з великими масштабними коефіцієнтами еквівалентні. У рівняннях Ейнштейна такої симетрії немає; вона є наслідком уніфікації, закладеної в теорії струн, причому центральну роль тут відіграє дилатон.
Колись побутувала думка, що T-дуалізм притаманний лише замкненим струнам, оскільки відкриті струни не можуть намотуватися, бо їхні кінці вільні. У 1995 р. Йозеф Полчинскі (Joseph Polchinski) з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі показав, що принцип T-дуалізму застосовний до відкритих струн у тому разі, коли перехід від великих радіусів до малих супроводжується зміною умов на кінцях струни. До цього фізики вважали, що на кінці струн не діють жодні сили і вони абсолютно вільні. Водночас T-дуалізм забезпечується так званими граничними умовами Діріхле, за яких кінці струн виявляються зафіксованими.
Умови на межі струни можуть бути змішаними. Наприклад, електрони можуть виявитися струнами, чиї кінці закріплені в семи просторових вимірах, але вільно рухаються в межах трьох інших, що утворюють підпростір, відомий як мембрана Діріхле, або D-мембрана. У 1996 р. Петр Горава (Petr Horava) з Каліфорнійського університету та Едвард Віттен (Edward Witten) з Інституту перспективних досліджень у Принстоні, штат Нью-Джерсі, припустили, що наш Всесвіт розташований якраз на такій мембрані (див. статті «Інформація в голографічному Всесвіті», «В мире науки», №11, 2003 р. і «Хто порушив закон тяжіння?», «В мире науки», №5, 2004 р.). Наша нездатність сприймати всю 10-вимірну велич простору пояснюється обмеженою рухливістю електронів та інших частинок.
| ПЕРЕДВИБУХОВИЙ СЦЕНАРІЙ | ||||||||||||
Першою спробою застосувати теорію струн до космології стала розробка так званого передвибухового сценарію, згідно з яким Великий вибух був не моментом виникнення Всесвіту, а просто перехідною стадією. До нього розширення прискорювалося, а після нього — сповільнювалося (принаймні спочатку). Шлях галактики в просторі-часі (праворуч) має форму келиха.
|
||||||||||||
Приборкання нескінченності
Усі чарівні властивості квантових струн вказують на те, що вони ненавидять нескінченність. Струни не можуть стягнутися в нескінченно малу точку, і тому їм не властиві парадокси, пов’язані з колапсом. Відмінність їхнього розміру від нуля та нові види симетрії задають верхні межі для фізичних величин, що зростають, і нижні — для тих, що спадають. Фахівці з теорії струн вважають, що, якщо прокручувати історію Всесвіту назад, кривина простору-часу зростатиме. Однак вона не стане нескінченною, як у традиційній сингулярності Великого вибуху: у певний момент її значення досягне максимуму і знову почне зменшуватися. До появи теорії струн фізики відчайдушно намагалися придумати механізм, який міг би так чисто усунути сингулярність.
| ЕКПІРОТИЧНИЙ СЦЕНАРІЙ | |||||||||||
|
|||||||||||
Умови поблизу нульового моменту часу, що відповідає початку Великого вибуху, настільки екстремальні, що ніхто поки не знає, як розв’язувати відповідні рівняння. Проте фахівці з теорії струн наважуються висловлювати припущення про те, яким був Всесвіт до Великого вибуху. Зараз існують дві поширені моделі.
Першу з них, відому як передвибуховий сценарій, ми почали розробляти в 1991 р. У ній принцип T-дуальності поєднується з більш відомою симетрією обернення часу, завдяки якій фізичні рівняння працюють однаково добре незалежно від напрямку часу. Таке поєднання дозволяє говорити про нові можливі варіанти космології, у яких Всесвіт, скажімо, за 5 с до Великого вибуху розширювався з такою самою швидкістю, як і через 5 с після нього. Однак зміна швидкості розширення в ці моменти відбувалася в протилежних напрямках: якщо після Великого вибуху розширення сповільнювалося, то перед ним — прискорювалося. Коротше кажучи, Великий вибух, можливо, був не моментом виникнення Всесвіту, а просто раптовим переходом від прискорення до сповільнення.
Привабливість такої картини полягає в тому, що вона автоматично передбачає глибше розуміння теорії інфляції: Всесвіт мав пройти через період прискорення, щоб стати настільки однорідним та ізотропним. У стандартній теорії прискорення після Великого вибуху відбувається під дією інфлатона, введеного спеціально для цієї мети. У передвибуховому сценарії воно відбувається перед вибухом як природний наслідок нових видів симетрії в теорії струн.
Відповідно до такої моделі Всесвіт перед Великим вибухом був майже ідеальним дзеркальним відображенням самого себе після нього. Якщо Всесвіт безмежно прямує в майбутнє, у якому його вміст розріджується до стану мізерної кашки, то він так само безкрайо простягається і в минуле. Нескінченно давно він був майже порожній: його заповнював лише неймовірно розріджений, хаотичний газ із випромінювання та речовини. Сили природи, керовані дилатоном, були настільки слабкими, що частинки цього газу практично не взаємодіяли одна з одною.
Але час минав, сили зростали і стягували матерію докупи. Випадковим чином матерія накопичувалася в деяких ділянках простору. Там її густина зрештою стала настільки високою, що почали утворюватися чорні діри. Речовина всередині таких областей виявлялася відрізаною від навколишнього простору, тобто Всесвіт розпадався на відокремлені частини.
Усередині чорної діри простір і час міняються ролями: її центр — не точка простору, а момент часу. Матерія, що падає в чорну діру, наближаючись до центру, стає дедалі щільнішою. Але, досягнувши максимальних значень, допустимих теорією струн, густина, температура і кривина простору-часу раптово починають зменшуватися. Момент такого обернення і є тим, що ми називаємо Великим вибухом. Внутрішня область однієї з описаних чорних дір і стала нашим Всесвітом.
Не дивно, що такий незвичайний сценарій викликав безліч суперечок. Так, Андрій Лінде (Andrei Linde) зі Стенфордського університету стверджує, що для узгодження такої моделі зі спостереженнями Всесвіт мав виникнути з чорної діри гігантських розмірів, значно більших, ніж масштаб довжини в теорії струн. Але ж наші рівняння не накладають жодних обмежень на розмір чорних дір. Просто сталося так, що Всесвіт сформувався всередині достатньо великої діри.
Серйозніше заперечення наводять Тібо Дамур (Thibault Damour) з Інституту вищих наукових досліджень у Бюр-сюр-Іветті у Франції та Марк Анно (Marc Henneaux) з Брюссельського вільного університету: матерія і простір-час поблизу моменту Великого вибуху мали поводитися хаотично, що напевно суперечить спостережуваній регулярності раннього Всесвіту. Нещодавно я припустив, що в такому хаосі міг виникнути щільний газ із мініатюрних «струнних дір» — надзвичайно малих і масивних струн, що перебувають на межі перетворення на чорні діри. Можливо, у цьому міститься ключ до розв’язання проблеми, описаної Дамуром і Анно. Аналогічне припущення висловили Томас Бенкс (Thomas Banks) з Ратґерського університету і Віллі Фішлер (Willy Fischler) з Техаського університету в Остіні. Існують й інші критичні міркування, але нам ще належить з’ясувати, чи виявляють вони якісь принципові недоліки описаної моделі.
| СПОСТЕРЕЖЕННЯ | ||
|
Зіткнення мембран
Інша популярна модель, що передбачає існування Всесвіту до Великого вибуху, — екпіротичний сценарій (від грец. ekpyrotic — «той, що прийшов із вогню»), розроблений три роки тому Джастіном Каурі (Justin Khoury) з Колумбійського університету, Полом Штайнгардтом (Paul Steinhardt) з Принстонського університету, Бартом Оврутом (Burt A. Ovrut) з Пенсильванського університету, Натаном Зайбергом (Nathan Seiberg) з Інституту перспективних досліджень і Нілом Тьюроком (Neil Turok) з Кембриджського університету. Він ґрунтується на припущенні, що наш Всесвіт — одна з багатьох D-мембран, які дрейфують у багатовимірному просторі. Мембрани притягуються одна до одної, а коли вони стикаються, у них може статися те, що ми називаємо Великим вибухом.
Не виключено, що зіткнення відбуваються циклічно. Дві мембрани можуть стикатися, відскакувати одна від одної, розходитися, притягуватися одна до одної, знову зіштовхуватися і так далі. Розходячись після удару, вони трохи розтягуються, а під час чергового зближення знову стискаються. Коли напрямок руху мембрани змінюється на протилежний, вона розширюється з прискоренням, тому спостережуване прискорене розширення Всесвіту може вказувати на майбутнє зіткнення.
Передвибуховий та екпіротичний сценарії мають спільні особливості. Обидва вони починаються з великого, холодного, майже порожнього Всесвіту, і обом властива складна (і поки не розв’язана) проблема переходу від стану перед Великим вибухом до стадії після нього. Математично головна відмінність між двома моделями полягає в поведінці дилатона. У передвибуховому сценарії це поле і, відповідно, всі сили природи спочатку дуже слабкі й поступово посилюються, досягаючи максимуму в момент Великого вибуху. Для екпіротичної моделі справедливе зворотне: зіткнення відбувається тоді, коли значення сил мінімальні.
Розробники екпіротичної схеми спочатку сподівалися, що слабкість сил полегшить аналіз зіткнення, проте їм доводиться мати справу з великою кривизною простору-часу, тому поки що не можна однозначно вирішити, чи вдасться уникнути сингулярності. Крім того, цей сценарій має розгортатися за вельми специфічних обставин. Наприклад, перед самим зіткненням мембрани мають бути майже ідеально паралельними одна одній, інакше спричинений ним Великий вибух буде недостатньо однорідним. У циклічній версії ця проблема не така гостра: послідовні зіткнення дали б мембранам змогу вирівнятися.
Залишивши поки що осторонь труднощі повного математичного обґрунтування обох моделей, учені мають з’ясувати, чи вдасться коли-небудь перевірити їх експериментально. На перший погляд, описані сценарії дуже схожі на вправи не з фізики, а з метафізики: безліч цікавих ідей, які ніколи не вдасться підтвердити або спростувати результатами спостережень. Такий погляд надто песимістичний. Як стадія інфляції, так і довибухова епоха мали залишити по собі артефакти, які можна помітити й сьогодні, наприклад, у невеликих варіаціях температури реліктового випромінювання.
По-перше, спостереження показують, що температурні відхилення були сформовані акустичними хвилями за кілька сотень тисяч років. Регулярність флуктуацій свідчить про когерентність звукових хвиль. Космологи вже відкинули цілу низку космологічних моделей, не здатних пояснити синхронність хвиль. Сценарії з інфляцією, епохою до Великого вибуху та зіткненням мембран успішно проходять це перше випробування. У них синфазні хвилі створюються квантовими процесами, що посилилися в ході прискореного космічного розширення.
По-друге, кожна модель передбачає різний розподіл температурних флуктуацій залежно від їхнього кутового розміру. Виявилося, що великі й малі флуктуації мають однакову амплітуду. (Відступи від цього правила спостерігаються лише за дуже малих масштабів, на яких початкові відхилення змінилися під дією пізніших процесів.) В інфляційних моделях цей розподіл відтворюється з високою точністю. Під час інфляції кривизна простору змінювалася відносно повільно, тож флуктуації різних розмірів виникали в майже однакових умовах. Згідно з обома струнними моделями, кривизна змінювалася швидко. Унаслідок цього амплітуда дрібномасштабних флуктуацій збільшувалася, проте інші процеси посилювали великомасштабні відхилення температури, вирівнюючи загальний розподіл. В екпіротичному сценарії цьому сприяє додатковий просторовий вимір, що розділяє мембрани, які стикаються. У передвибуховій схемі за вирівнювання розподілу флуктуацій відповідає аксіон — квантове поле, пов’язане з дилатоном. Коротко кажучи, усі три моделі узгоджуються з результатами спостережень.
По-третє, у ранньому Всесвіті температурні варіації могли виникати через флуктуації густини речовини та через слабкі коливання, спричинені гравітаційними хвилями. За інфляції обидві причини мають однакове значення, а в сценаріях зі струнами основну роль відіграють варіації густини. Гравітаційні хвилі мали залишити свій відбиток у поляризації реліктового випромінювання. Можливо, у майбутньому його вдасться виявити за допомогою космічних обсерваторій, таких як супутник «Планк» Європейського космічного агентства.
Четверта перевірка пов’язана з розподілом флуктуацій. В інфляційному та екпіротичному сценаріях він описується законом Гаусса. Водночас передвибухова модель допускає значні відхилення від нормального розподілу.
Аналіз реліктового випромінювання — не єдиний спосіб перевірити розглянуті теорії. Сценарій з епохою до Великого вибуху передбачає виникнення випадкового фону гравітаційних хвиль у певному діапазоні частот, який у майбутньому можна буде виявити за допомогою гравітаційних обсерваторій. Крім того, оскільки в струнних моделях змінюється дилатон, тісно пов’язаний з електромагнітним полем, їм обом мають бути властиві великомасштабні флуктуації магнітного поля. Не виключено, що їхні залишки можна виявити в галактичних і міжгалактичних магнітних полях.
То коли ж почався час? Наука поки що не дає остаточної відповіді. І все ж, згідно з двома потенційно перевірними теоріями, Всесвіт — а отже, і час — існував задовго до Великого вибуху. Якщо один із цих сценаріїв відповідає істині, то космос існував завжди. Можливо, одного дня він знову колапсує, але не зникне ніколи.
ПРО АВТОРА:
Габріеле Венеціано (Gabriele Veneziano), фізик-теоретик із CERN, створив теорію струн наприкінці 1960-х рр. Однак невдовзі її було визнано хибною, оскільки вона не пояснювала всіх властивостей атомного ядра. Тому Венеціано зайнявся квантовою хромодинамікою, у яку зробив вагомий внесок. Коли в 1980-х рр. про теорію струн заговорили як про теорію квантової гравітації, Венеціано вперше застосував її до чорних дір і космології.
ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА
- The Elegant Universe. Brian Greene. W.W. Norton, 1999.
- Superstring Cosmology. James E. Lidsey, David Wands and Edmund J. Copeland у Physics Reports, т. 337, № 4-5, с. 343-492; жовтень 2000. hep-th/9909061
- From Big Crunch to Big Bang. Justin Khoury, Burt A. Ovrut, Nathan Seiberg, Paul J. Steinhardt and Neil Turok у Physical Review D, т. 65, № 8, стаття № 086007; 15 квітня 2002. hep-th/0108187
- A Cyclic Model of the Universe. Paul J. Steinhardt and Neil Turok у Science, т. 296, № 5572, с. 1436-1439; 24 травня 2002. hep-th/0111030
- The Pre-Big Bang Scenario in String Cosmology. Maurizio Gasperini and Gabriele Veneziano у Physics Reports, т. 373, № 1-2, с. 1-212; січень 2003. hep-th/0207130
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):