Наука 29.12.2020  

Бесконечна ли Вселенная?

Обычная история Вселенной имеет начало, середину и конец. Она началась с Большого взрыва, случившегося 13,8 млрд лет назад, когда Вселенная была очень маленькой, очень плотной и очень горячей. Понадобилось менее одной миллиардной доли секунды, чтобы эта точка — наша Вселенная — расширилась в миллиард миллиардов раз в результате процесса, называемым «космологической инфляцией».

Затем инфляция остановилась. Вселенная продолжала расширяться и остывать, но уже с небольшой скоростью. В течение 380 000 лет она была так плотна, что даже свет не мог пройти сквозь неё: космос был непрозрачной сверхгорячей плазмой рассеянных частиц. И когда всё, наконец, остыло настолько, что смогли образоваться первые атомы водорода, Вселенная стала прозрачной. Радиоактивное излучение распространилось во всех направлениях, и Вселенная стала превращаться в ту комковатую сущность, которую мы видим сейчас — с длинными полосами пустых пространств, перемежающихся скоплением частиц, пыли, звёзд, чёрных дыр, галактик и других форм материи.

В конце концов эти комки разойдутся настолько далеко, что совсем растворятся. Вселенная станет холодной и однородной — эдакий космический бульон из отдельных фотонов. Не особо драматичный финал, но уж что есть, то есть.

Но… что, если Большой взрыв вовсе не был началом Вселенной? Что, если он был просто «Большим скачком» — поворотным моментом в длящемся цикле сжатия-расширения? Или, например, некой точкой, в которой Вселенная «вывернулась наизнанку» и антивещество стало веществом, а время потекло в обратную сторону? Или что Большой взрыв — просто одно из событий Вселенной, которая всегда расширялась и продолжает это делать?

Число конкурирующих теорий, предлагаемых разными учёными, растёт, что означает, что, возможно, нам пора отказаться от главенства инфляционной модели Вселенной. Возможно, Большой взрыв — не начало Вселенной, а, наоборот, предвестник её конца.

Иллюстрация: Gerd Altmann / Pixabay

Большинство альтернатив инфляционной теории проистекает из того, что идея космологической инфляции многих учёных не устраивает.

— Честно говоря, мне никогда не нравилась инфляция, — заявляет Нейл Турок, бывший директор Института теоретической физики в Ватерлоо, Канада, и автор Циклической модели Вселенной.

— Инфляционная теория провалилась! — добавляет Пол Стейнхардт, профессор науки Альберта Эйнштейна в Принстонском университете и сторонник идеи «Большого скачка».

— Я всегда считал космологическую инфляцию притянутой за уши теорией, — признаётся Роджер Пенроуз, математик и физик, заслуженный профессор и глава кафедры математики Оксфордского университета, нобелевский лауреат — основная причина того, что она закрепилась, состоит в том, что это единственное, что люди смогли придумать для объяснения такого явления как масштабная равномерность температуры реликтового излучения.

Реликтовое излучение (также называемое «космическое микроволновое излучение») было фундаментальным фактором всех моделей Вселенной с момента его первого наблюдения в 1965 году. Это слабое свечение, которое можно видеть повсюду в наблюдаемой Вселенной. Именно реликтовое излучение — главный источник информации о том, как выглядела ранняя Вселенная. И именно оно — мучительная головная боль для физиков.

Карта реликтового излучения

Проблема в том, что повсюду, во всех направлениях, куда учёные устремляют свои телескопы, реликтовое излучение выглядит абсолютно одинаково, даже в тех местах, которые, казалось бы, никак не могли взаимодействовать друг с другом никогда за всю историю Вселенной, все 13,8 млрд лет.

«Температура реликтового излучения одинакова даже на противоположных сторонах Вселенной, — говорит Кэти Мак, космолог из Университета штата Северная Каролина, — Значит, что-то должно было связывать эти области в прошлом. Но этот факт не согласуется с Теорией инфляции».

Так как не существует какого-то механизма, который бы уравнивал температуру во всей наблюдаемой Вселенной, учёные ожидали увидеть куда большее разнообразие температур в разных местах космического пространства.

Господствующая теория космологической инфляции предлагает такое решение «проблемы однородности»: в ранний период Вселенная растянулась настолько быстро, что всё остальное осталось далеко за её пределами. Вселенная расширилась из крошечной однородной области внутри изначального раскалённого хаоса, породив реликтовое излучение. Другие области, находящиеся за пределами наблюдаемой Вселенной, могут выглядеть совершенно иначе.

«Считается, что космологическая инфляция достаточно подтверждена имеющимися научными данными, чтобы мы могли принять её за теорию „по умолчанию“, — рассуждает Кэти Мак, — И это именно то, что я говорю своим студентам. И всегда прибавляю — но мы пока ничего не знаем наверняка».

В Теории инфляции всегда хватало «белых пятен». Примечательно, что нет никаких идей, что именно запустило инфляционное расширение, или каких-то правдоподобных предположений, чем оно может закончиться. Одна из идей, выдвигаемых сторонниками теории, заключается в том, что некие гипотетические частицы составили нечто, называемое «инфляционным полем», а затем это поле распалось на частицы, которые стали реликтовым излучением.

И даже с такими хитростями инфляционная теория делает предсказания, которые (по крайней мере, пока) не сбываются. Теория утверждает, что пространство-время должно было быть искажено изначальными гравитационными волнами, которые рикошетом разошлись по всей Вселенной во время Большого взрыва. Но, несмотря на то, что некоторые типы гравитационных волн действительно были обнаружены, ни один из них не порождает таких искажений.

Визуализация моделирования сливающихся чёрных дыр, излучающих гравитационные волны
Иллюстрация: NASA / Ames Research Center / C. Henze

Квантовая физика также не согласуется с теорией инфляции. Согласно её прогнозам, квантовые флуктуации должны были заставить инфляцию разбить пространство Вселенной на бесконечное число Вселенных с бесконечно разнообразными свойствами — «мультивселенную», в которой происходят буквально все мыслимые события, причём одновременно. Насколько мы можем судить, этого не произошло.

«Инфляционная теория несостоятельна, — утверждает Стейнхардт, — Всё, что она утверждает — это то, что наблюдаемая Вселенная может быть такой, как есть, или любой другой, какую вы можете себе представить, в зависимости от того, где мы находимся в мультивселенной. Возможно всё, что только можно вообразить в рамках физических законов».

Стейнхардт, учёный, стоявший у истоков инфляционной теории, говорит, что в конце концов разочаровался в ней из-за её непроверяемости. «Неужели нам действительно нужно навыдумывать себе бесконечных Вселенных, которых мы никогда не видели и не увидим, чтобы объяснить единственную — плоскую и однородную — Вселенную, которую как раз можем наблюдать? — возмущается он, — Я говорю — нет. Мы должны придумать теорию получше, чем инфляционная».

Другая проблема связана с предположением о том, что пространство-время появилось в результате именно Большого взрыва и не существовало до него.

Развитие Вселенной согласно инфляционной теории
Иллюстрация: NASA / WMAP Science Team

Теория «Большого скачка» согласуется с той частью Теории космологической инфляции, которая утверждает, что Вселенная была горячей и плотной 13,8 млрд лет назад, когда начался процесс её расширения и остывания. Но вместо того, чтобы быть моментом начала пространства-времени, это был момент перехода из более ранней фазы, во время которой пространство не расширялось, а сжималось.

Если это было так, то, по словам Стейнхардта, при скачке (а не в результате взрыва) у отдалённых регионов космоса было достаточно времени, чтобы повзаимодействовать друг с другом и сформировать единую Вселенную, в которой источники реликтового излучения имели бы шанс выровняться.

Ведь возможно, что время существовало вечно.

— Если скачок случился в прошлом, почему он произошёл только один раз? — задаётся вопросом Стейнхардт, — Почему таких скачков не могло быть много? В таком случае, вероятно, подобный скачок ожидает нас и в будущем. Наша расширяющаяся Вселенная может опять начать сжиматься и вернуться в плотное состояние, и весь цикл запустится снова.

Стейнхардт и Турок вместе работали над некоторыми ранними версиями модели «Большого скачка», согласно которой Вселенная сузилась до таких крошечных размеров, что начала действовать квантовая физика, заменив собой классическую. Но недавна одна сотрудница Стейнхардта, Анна Иджас, разработала модель, в которой Вселенная не становилась настолько крошечной, чтобы физика в ней стала квантовой.

Циклическая модель Вселенной
Иллюстрация: SAMUEL VELASCO/QUANTA MAGAZINE

— Это довольно прозаическая и, можно сказать, консервативная идея, вполне описываемая классическими уравнениями, — говорит Стейнхардт — Теория инфляции предполагает существование мультивселенной, а значит, возникновение Вселенной бесконечным числом способов, а мы просто живём в одной из них, довольно однородной и плоской. Это, конечно, возможно, но маловероятно. А теория Большого отскока гласит, что Вселенная — такая, какой она должна быть.

Нейл Турок тоже предлагает другую, более простую альтернативу инфляционной теории. Она называется «Зеркальная модель Вселенной». Эта теория предполагает, что другая Вселенная, в которой преобладает антивещество, но действуют те же физические законы, что и в нашей, расширяется по другую сторону Большого взрыва — своего рода анти-Вселенная.

Зеркальная модель Вселенной
Иллюстрация: Alamy

«Главное моё предположение за 30 лет работы над этим вопросом — это то, что на самом деле Вселенная довольно проста, — рассказывает Турок — Она не хаотична. Она — не случайность. Наоборот, Вселенная абсолютно упорядочена и в ней действуют закономерности, для описания которых требуется совсем немного цифр».

Говоря это, Турок не видит в своей теории места для мультивселенной, высших измерений или новых частиц, могущих прояснить, что же мы видим, когда смотрим в небо.

Если сложить всю известную массу в галактике — звёзды, туманности, чёрные дыры и т. п. — гравитации не хватит, чтобы объяснить движение галактик и всего, что находится за их пределами. Должно быть что-то ещё, чего мы не можем видеть в настоящее время, а именно — тёмной материи. И это загадочное «что-то» составляет около 85% всей материальной Вселенной.

Модель зеркальной Вселенной предполагает, что Большой взрыв произвёл на свет, причём в большом количестве, новые частицы, так называемые «правосторонние нейтрино». И хотя физики элементарных частиц пока не видели их, они уверены, что такие частицы существуют. Именно правосторонние нейтрино составляют тёмную материю, считают сторонники теории Зеркальной Вселенной.

— Это единственная частица в Стандартной модели, которая обладает двумя необходимыми свойствами, которые мы ещё не наблюдали напрямую, и она может быть стабильной, — утверждает Латем Бойл, ещё один сторонник Зеркальной теории и коллега Турока по институту.

Возможно, самой сложной альтернативой теории инфляции является Теория конформной циклической космологии Роджера Пенроуза. Как и Теория Большого отскока, она предполагает Вселенную, существующую вечно. Но в этой теории Вселенная не проходит через периоды сокращения — она всегда расширяется. А все составляющие её частицы постоянно и неуклонно уменьшаются, стремясь к абсолютному нулю.

— Я считаю, что Большой взрыв не был началом, — говорит Пенроуз, — Вся картина того, что нам известно на сегодняшний день, вся история Вселенной — это то, что я называю «эоном в череде эонов».

Модель Пенроуза предполагает, что большая часть Вселенной будет в конце концов поглощена сверхмассивными чёрными дырами. По мере того, как Вселенная будет продолжать расширяться и остывать до почти абсолютного нуля, эти чёрные дыры будут «выкипать» из-за явления, называемого излучением Хокинга.

Излучение Хокинга
Иллюстрация: Pixabay

— Необходимо мыслить масштабными категориями, такими, как гугол лет, что означает число из единицы со ста нулями, — говорит Пенроуз, — чтобы представить себе, сколько потребуется времени на то, чтобы самые большие чёрные дыры, наконец, испарились полностью. И тогда мы действительно получим Вселенную, состоящую просто из отдельных фотонов.

И далее, по словам Пенроуза, Вселенная начнёт выглядеть так же, как и в начале, создавая основу для появления следующего эона.

Одно из предположений теории Пенроуза состоит в том, что в реликтовом излучении может содержаться запись предыдущего эона. Когда сверхмассивные чёрные дыры сталкиваются, удар вызывает выделение огромного количества энергии в виде гравитационных волн. Гигантские чёрные дыры испаряются, выделяя энергию в виде низкочастотных фотонов. И оба этих явления настолько мощны, говорит Пенроуз, что они могут «прорваться на другую сторону» — перейти из одного эона в другой, оставив каждому свой собственный «сигнал», встроенный в реликтовое излучение, как эхо.

Пенроуз называет эти «следы», оставленные испарившимися дырами, «точками Хокинга». В течение первых 380 000 лет текущего эона они были бы ничем иным, как крошечными точками в космосе, но, по мере расширения Вселенной, начали выглядеть как «пятна» на небе.

Пенроуз сотрудничал с польскими и корейскими космологами, чтобы выяснить, можно ли найти такие места, сравнивая измерения реликтового излучения с тысячами случайных паттернов. «Мы пришли к выводу, что эти пятна существуют с вероятностью 99,98% — рассказывает Пенроуз. Но пока мир физики скептически относится к результатам, полученным им, и среди космологов почти нет желающих воспроизвести анализ Пенроуза, чтобы проверить полученные им данные.

Маловероятно, что мы когда-нибудь сможем наблюдать, что происходило в первые моменты после Большого взрыва, не говоря уже о том, что было до него. Непрозрачная перегретая плазма, существовавшая в первые моменты после взрыва, вероятно, навсегда скрыла его за собой. Но есть и другие потенциально наблюдаемые явления, такие как первичные гравитационные волны, первичные чёрные дыры, правосторонние нейтрино и другие, способные дать нам верные подсказки, что же происходило в самом начале.

— По мере того, как мы разрабатываем теории и строим новые модели Вселенной, они будут давать нам новые прогнозы и предсказания, — говорит Мак, — Не стоит надеяться, что мы увидим самое начало Вселенной непосредственно, но, возможно, каким-то окольным путём нам удасться лучше понять структуру самой физики.

А до тех пор вопрос о зарождении нашей Вселенной и о том, имеет ли она какой-нибудь конец, по-прежнему будет обсуждаться.

Автор Пэтчен Барсс / BBC

Читайте также: