Світ без початку та - кінця - Троїцький варіант - Наука
Згідно з теорією Великого вибуху, наш Всесвіт має цілком конкретний вік, який зараз оцінюють у 13,7 млрд років. Досить мало для такого значного об'єкта, як Всесвіт, чи не так? Про одну з альтернативних теорій розповідає науковий журналіст, випускник фізфаку МДУ, науковий браузер журналу «Популярна механіка», канд. філос. наукОлексій Левін (Вашингтон), який при недавньому голосуванні на сайті www.astrotop.ru був визнаний найкращим журналістом, який пише на астрокосмічні теми.
Великий вибух та інфляція
Модель Великого вибуху (Big Bang) перегукується з дослідженнями, що у 1920-х роках провели петербурзький математикОлександр Фрідман і бельгійський астрофізикЖорж Леметр (Georges Lemattre). Свій завершений вид теорія набула близько 1948 р. в роботах Георгія Гамова і двох його асистентів (Гамов в 1934 емігрував з СРСР до США, де отримав кафедру в столичному університеті ім. Джорджа Вашингтона). Після відкриття в 1964 р. американськими радіоастрономамиАрно Пензіасом (Arno Penzias) іРобертом Вільсоном (Robert Wilson) мікрохвильового випромінювання, яке передбачала теорія Великого вибуху, вона набула нового життя і швидко набула статусу стандартної моделі народження Всесвіту.
Як оригінальна теорія Біг Бенга, так і її пізніші версії стверджували, що Всесвіт після свого виникнення безперервно розширювався, але швидкість цього розширення весь час падала через гальмуючий вплив всесвітнього тяжіння. Проте на початку 1980-х років Олексій Старобинський з Інституту теоретичної фізики ім. Ландау та співробітник теоретичного відділу Стенфордського лінійного прискорювачаАлан Гут (Alan Guth) незалежно один від одного виявили,що відмова від цього припущення послужить на користь моделі.
Раніше доводилося припускати, що Всесвіт за якимось дивним збігом обставин вже в момент народження був практично ідеально плоским і майже однорідно заповненим частинками та випромінюванням. Старобинський і Гут висунули гіпотезу, що Всесвіт незабаром після свого народження протягом 10 -34 секунди розширювався з швидкістю, що швидко зростала, і не менше ста разів подвоїла свої розміри. Звідси випливало, що спочатку вона могла бути сильно викривленою і неоднорідною за складом, оскільки в результаті розтягування все одно повинна була стати плоскою і всюди однаковою, за винятком дрібних флуктуацій, які ставали зародками перших зірок і галактик.
Надшвидке розбухання простору з легкої руки американського фізика-теоретика Сідні Коулмена (Sidney Coleman) стали називати космологічною інфляцією. Спочатку ця модель страждала на низку недоробок, які незабаром зникли завдяки роботам наукового співробітника ФІАН, а нині професора Стенфордського університетуАндрія Лінде та фізиків з Університету ПенсільваніїПола Стейнхардта (Paul Steinhardt) та <Андреаса Альбрехта (Andreas Albrecht).
Інфляційні моделі в основному сходяться на тому, що інфляцію запустило скалярне квантове поле, яке зазвичай називають інфлатоном. Це поле діяло протилежно до тяжіння і тому викликало розширення простору. Оскільки щільність його енергії спочатку падала дуже незначно, воно розтягувало простір з неослабною силою, що було причиною інфляції. Однак згодом поле стало втрачати енергію, яка зрештою дійшла до стійкого мінімуму та зафіксувалася у цьому становищі. На цьому етапі інфляція припинилася. Перед тим, як цесталося, поле швидко осцилювало, породжуючи електромагнітне випромінювання та елементарні частки. В результаті до закінчення інфляційної фази Всесвіт заповнився з гамма-квантів і цілого букету частинок - кварків, електронів, нейтрино і ще не відкритих, але, швидше за все, частинок темної матерії. Потім у свої права вступило тяжіння, і Всесвіт продовжив розширюватися, але вже з швидкістю, що зменшується.
Незабаром після створення інфляційної моделі кілька теоретиків зрозуміли, що її внутрішня логіка не суперечить ідеї перманентного множинного народження нових і нових всесвітів. Справді, квантові флуктуації, подібні до тих, яким ми зобов'язані існуванням нашого світу, можуть виникати в будь-якій кількості, якщо для цього є відповідні умови. Не виключено, що наша світобудова вийшла з флуктуаційної зони, яка сформувалася у світі-попереднику. Можна навіть припустити, що коли-небудь і де-небудь у нашому Всесвіті утворюється флуктуація, яка «видує» юний всесвіт. Існують моделі, в яких дочірні всесвіти виникають безперервно, відбруньковуються від своїх батьків і живуть своїм власним життям (при цьому зовсім не обов'язково, що всюди встановлюються ті самі фізичні закони). Всі ці світи «вкладені» в єдиний просторово-часовий континуум, але рознесені в ньому настільки, що ніяк не відчувають присутності одне одного. Загалом концепція інфляції як дозволяє, а й змушує дійти висновку, що у велетенському «мегакосмосі» існує безліч ізольованих друг від друга всесвітів із різним пристроєм.
А якщо без інфляції?
Фізики-теоретики люблятьпереглядати навіть усталені концепції. Тому не слід дивуватися, що конкуренти з'явилися і в інтерф'єрі Великого вибуху. Одну з таких моделей вигадав той самий Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt), який свого часу допоміг закласти основи інфляційної космології. Тепер він очолює Центр теоретичної фізики у Прінстоні (www.physics.princeton.edu/
Всі істинно елементарні частинки, які існують у Всесвіті (електрони, кварки, нейтрино, фотони), насправді є розімкненими нескінченно тонкими і надзвичайно короткими струнами, що вібрують. Кінці кожної такої струни намертво закріплені всередині нашої тривимірної лайки, тому покинути її струна не може. Звідси випливає, що всі частинки назавжди замкнені в межах нашого рідного простору. Але є й закільцьовані струни – це гравітони, переносники поля тяжіння. Дуже важливо, що струнні кільця не зчеплені з певними лайками і тому можуть вільно мігрувати між ними. Цим гравітація принципово відрізняється від електромагнітного взаємодії, яке переносять фотони, приречені внутрішньобрановий полон.
Модель Стейнхардта і Тьюрока стверджує, що Великий вибух не був початком Всесвіту. Погляньмо, як вона працює, причому почнемо з нашої космологічної епохи. Оскільки Всесвіт зараз розширюється зі зростаючою швидкістю, щільність матерії та випромінювання постійно падає. Як випливає із загальної теорії відносності, гравітаційне викривлення простору слабшає, яке геометрія стає дедалі ідеально плоскою. Протягом наступного трильйона років розміри Всесвіту подвоїться близько ста разів, і вона перетвориться на практично порожній світ, позбавлений матеріальних структур. Те самесаме стверджує й інфляційна космологія, що бере до уваги існування темної енергії. Виходить, що на цей термін прогнози обох теорій всесвіту повністю збігаються.
А далі починаються розбіжності. Інфляційна космологія просто наказує нашому Всесвіту вічне розширення, якому не завадить навіть можливе народження дочірніх всесвітів. Стейнхардт і Тьюрок бачать її майбутнє інакше. Згідно з їхньою гіпотезою, поряд з нами плаває інша тривимірна брана, відокремлена щілиною майже нульової протяжності. Вона зазнає такої ж еволюції, подібно до нас розширюється, сплощується і порожніє. Весь цей час дистанція між лайками практично не змінюється. Але мине трильйон років, і лайки почнуть зближуватися. Їх пов'язує один з одним силове поле, дія якого залежить від довжини щілини. Зараз воно перешкоджає зближенню лайок і при цьому з прискоренням розтягує простір і тій, і іншій (так що, по суті, саме вона діє як темна енергія). Однак у майбутньому воно змінить знак і почне підштовхувати лайки назустріч один одному.
Зрештою обидві лайки зіткнуться, загальмуються і 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 та охолодження Всесвіту. Модель Стейнхардта і Тьюрока стверджує, такі цикли мали місце у минулому й мають повторюватися у майбутньому. Чи був у них взагалі якийсь початок, теорія замовчує.
Згідно з цим сценарієм, історія світобудови складається з великої (можливо, навіть нескінченної) множини окремих циклів. Кожен цикл починається зі стадії інтенсивногонародження надгарячої речовини та випромінювання. Цю стадію за бажання 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 і до, і після кожного з цих катаклізмів. Тому нова модель не потребує гіпотези космологічної інфляції, яку свого часу винайшли для усунення проблем, що випливали з теорії народження Всесвіту під час Біг Бенга.
У нової моделі поки що мало прихильників, і це природно. По-перше, вона виглядає дуже екзотично; по-друге, інфляційна космологія настільки добре пояснює всі спостережувані характеристики Всесвіту, що міняти його на щось інше начебто немає жодного сенсу. Однак Стейнхардт вважає, що початкові умови запуску інфляції, як вони прописані теоретично Гута та його послідовників, у статистичному плані незмірно менш правдоподібні, ніж та картина виникнення світобудови, яку намалювала нова теорія. Іншими словами, ймовірність реалізації цих умов незмірно менша, ніж ймовірність народження спочатку плоского Всесвіту. Якщо прийняти цю точку зору, то пошук альтернативних моделей буде цілком розумним.
Нейтральна думка
Активні розробники інфляційної космології гіпотезу Стейнхардта і Тьюрока, звісно, не сприймають. У пошуках більш нейтральної оцінки я звернувся до одного з найбільших американських астрофізиків, професора Гарвардського університету Аві Лобу (Avi Loeb). Він зазначив, що в науці завжди вітається поява альтернатив навіть найапробованішим теоріям.