Что было за триллион лет до Большого взрыва?

У теории Большого взрыва есть 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=10-43 с (точнее, 5,4х10-44 с), 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.

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.

Инфляционная космология

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 еще 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 40 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).

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.

Альтернатива

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.

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.

Новый цикл

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.

Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, которые непрерывно отпочковываются от существующих.
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 1023 К, а для возникновения таких частиц потребны много большие энергии — порядка 1027 К.

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.

Мир без начала и конца

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».

Проверка практикой

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».

Радикальная альтернатива

В 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 эспоненциальному 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 миллиардов лет управляет расширением нашей Вселенной».
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».