Відповідно до теорії Великого вибуху, у нашого Всесвіту є цілком конкретний вік, який зараз оцінюють у 13,7 млрд років. Досить мало для такого значного об'єкта, як Всесвіт, чи не так?
Великий вибух і інфляція
Модель Великого вибуху (Big Bang) сходить до досліджень, які в 1920-х роках провели петербурзький математик Олександр Фрідман і бельгійський астрофізик Жорж Леметр (Georges Lemattre). Свій завершений вигляд теорія придбала близько 1948 року в роботах Георгія Гамова і двох його асистентів (Гамов в 1934 р емігрував з СРСР в США, де отримав кафедру в столичному університеті ім. Джорджа Вашингтона). Після відкриття в 1964 р американськими радіоастрономії Арно Пензиасом (Arno Penzias) і Робертом Вілсоном (Robert Wilson) мікрохвильового випромінювання, яке передбачала теорія Великого вибуху, вона отримала нове життя і швидко знайшла статус стандартної моделі народження Всесвіту.
Як оригінальна теорія Біг Бенга, так і її пізніші версії стверджували, що Всесвіт після свого виникнення безперервно розширювалася, але швидкість цього розширення весь час падала через гальмуючого впливу всесвітнього тяжіння. Однак на початку 1980-х років Олексій Старобинский з Інституту теоретичної фізики ім. Ландау і співробітник теоретичного відділу Стенфордського лінійного прискорювача А лан Гут (Alan Guth) незалежно одна від одної виявили, що відмова від цього припущення послужить на користь моделі.
Раніше доводилося припускати, що Всесвіт по якимось дивним збігом обставин вже в момент народження була практично ідеально плоскою і майже однорідно заповненої частками і випромінюванням. Старобинский і Гут висунули гіпотезу, що Всесвіт незабаром після свого народження протягом 10-34 секунди розширювалася з швидко зростаючою швидкістю і не менше ста разів подвоїла свої розміри. Звідси випливало, що спочатку вона могла бути сильно викривленої і неоднорідною за складом, оскільки в результаті розтягування все одно була зобов'язана 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 космологічної інфляцією. Спочатку ця модель страждала рядом недоробок, які незабаром зникли завдяки роботам наукового співробітника ФІАН, а нині професора Стенфордського університету Андрія Лінде і фізиків з Університету Пенсільванії Пола Стейнхардт (Paul Steinhardt) і Андреаса Альбрехта (Andreas Albrecht).
Інфляційні моделі в основному сходяться в тому, що інфляцію запустило скалярний квантове поле, яке зазвичай називають інфлатонним. Це поле діяло протилежно тяжінню і тому викликало розширення простору. Оскільки щільність його енергії спочатку падала дуже незначно, воно розтягувало простір з неослабною силою, що і було причиною інфляції. Однак з часом поле стало втрачати енергію, яка врешті-решт дійшла до стійкого мінімуму і зафіксувалася в цьому положенні. На цьому етапі інфляція припинилася. Перед тим, як це сталося, поле швидко осцілліровать, породжуючи електромагнітне випромінювання і елементарні частинки. В результаті до закінчення інфляційної фази Всесвіт заповнилася з гамма-квантів і цілого букета частинок - кварків, електронів, нейтрино і ще не відкритих, але, швидше за все, існуючих частинок темної матерії. Потім в свої права вступила тяжіння, і Всесвіт продовжила розширюватися, але вже з зменшується швидкістю.
Фрагмент анімації.
Незабаром після створення інфляційної моделі кілька теоретиків зрозуміли, що її внутрішня логіка не суперечить ідеї перманентного множинного народження все 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 наше світобудову вийшло з флуктуаційної зони, яка склалася в світі-попереднику. Можна навіть припустити, що коли-небудь і де-небудь в нашій власній Всесвіту утворюється флуктуація, яка «видме» юну всесвіт. Існують моделі, в яких дочірні всесвіти виникають безперервно, відокремлюються від своїх матерів і живуть своїм власним життям (при цьому зовсім не обов'язково, що всюди встановлюються одні й ті ж фізичні закони). Всі ці світи «вкладені» в єдиний просторово-часовий континуум, але рознесені в ньому настільки, що ніяк не відчувають присутності один одного. Загалом концепція інфляції не тільки дозволяє, але прямо-таки змушує дійти висновку, що в велетенському «мегакосмос» існує безліч ізольованих один від одного всесвітів з різним пристроєм.
А якщо без інфляції?
Пол Стейнхард.
Фізики-теоретики люблять переглядати навіть найстійкіші концепції. Тому не слід дивуватися, що конкуренти з'явилися і у інфляційної інтерпретації Великого вибуху. Одну з таких моделей придумав той самий Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt), який свого часу допоміг закласти основи інфляційної космології. Тепер він очолює Центр теоретичної фізики в Прінстоні (www.physics.princeton.edu/~steinh/). У створенні нової теорії йому допоміг Нейл Тьюрок (Neil Turok), який до 2008 р керував відділенням математичної фізики Кембриджського університету, а потім став директором Інституту теоретичної фізики «Периметр» в канадському місті Ватерлоо в провінції Онтаріо. Так що обидва автори належать до супереліте сучасної фізики.
Нейл Тьюрок.
Основи нової теорії вони виклали в розрахованої на досить широку аудиторію монографії Endless Universe: «Beyond the Big Bang», опублікованій в 2007 р видавництвом Doubleday. Модель Стейнхардт і Тьюрока існує в кількох версіях, але я розповім про найбільш наочною. Вона заснована на розробленому в кінці минулого століття узагальненні теорії квантових суперструн, відомому як М-теорія. Ця теорія стверджує, що фізичний світ просторових і один часовий. У ньому плавають простору менших розмірностей, так звані Брани (скорочення від мембрани). Наш Всесвіт - просто одна з таких бран, що володіє трьома просторовими вимірами.
Все істинно елементарні частинки, які існують у Всесвіті (електрони, кварки, нейтрино, фотони і т.п.), насправді є роз'єднаними вібруючими нескінченно тонкими і надзвичайно короткими струнами. Кінці кожної такої струни намертво закріплені всередині нашої тривимірної Брани, тому покинути її струна не може. Звідси випливає, що всі частинки навічно замкнені в межах нашого рідного простору. Але є і закільцьованих струни - це Гравітон, переносники поля тяжіння. Дуже важливо, що струнні кільця не зчеплені з певними лайкою і тому можуть вільно мігрувати між ними. Цим гравітація принципово відрізняється від електромагнітної взаємодії, яке переносять фотони, приречені на внутрібрановий полон.
Модель Стейнхардт і Тьюрока стверджує, що Великий вибух зовсім не був початком Всесвіту. Давайте подивимося, як вона працює, причому почнемо з нашої космологічної епохи. Оскільки Всесвіт зараз розширюється зі зростаючою швидкістю, щільність матерії і випромінювання постійно падає. Як випливає із загальної теорії відносності, гравітаційне викривлення простору слабшає, а його геометрія стає все більш ідеально плоскою. Протягом наступного трильйона років розміри Всесвіту подвояться близько ста разів, і вона перетвориться в практично порожній світ, позбавлений матеріальних структур. Те ж саме стверджує і інфляційна космологія, яка бере до уваги існування темної енергії. Виходить, що на цей термін прогнози обох теорій світобудови повністю збігаються.
Множинне народження всесвітів.
А далі починаються відмінності. Інфляційна космологія просто наказує нашого Всесвіту вічне розширення, якому не завадить навіть можливе народження дочірніх всесвітів. Стейнхардт і Тьюрок бачать її майбутнє інакше. Відповідно до їхніх гіпотезі, поруч з нами плаває інша тривимірна брану, відокремлена щілиною майже нульовий протяжності. Вона перебуває під впливом таку ж еволюцію, тобто подібно до нас розширюється, ущільнюється і порожніє. Весь цей час дистанція між лайкою практично не змінюється. Але пройде трильйон років, і Брани почнуть зближуватися. Їх пов'язує один з одним силове поле, дія якого залежить від довжини щілини. Зараз воно перешкоджає зближенню бран і при цьому з прискоренням розтягує простір і тієї, і іншої (так що, по суті, саме воно і діє в якості темної енергії). Однак в майбутньому воно змінить знак і почне підштовхувати Брани назустріч один одному.
Зрештою обидві Брани 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 і випромінюванням. Цей катаклізм запустить черговий цикл розширення і охолодження Всесвіту. Модель Стейнхардт і Тьюрока стверджує, що такі цикли мали місце в минулому і зобов'язані повторюватися в майбутньому. Чи було у них взагалі якесь початок, теорія замовчує.
Обкладинка книги. У 2007 р П. Стейнхард і Н. Тьюрок опублікували науково-популярну книгу Endless Universe: The Big Bang and Beyond про сучасних космологічних теоріях.
Згідно з цим сценарієм, історія світобудови складається з великого (можливо, навіть нескінченного) безлічі окремих циклів. Кожен цикл починається зі стадії інтенсивного народження надгарячої речовини і випромінювання. Цю стадію при бажанні можна назвати Великим вибухом. Але будь-яка 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 будь-якого з цих катаклізмів. Тому нова модель не потребує гіпотези космологічної інфляції, яку свого часу винайшли для усунення проблем, що випливали з теорії народження Всесвіту в ході Біг Бенга.
У новій моделі поки мало прихильників, і це природно. По-перше, вона виглядає вже дуже екзотично; по-друге, інфляційна космологія настільки добре пояснює всі спостережувані властивості Всесвіту, що міняти її на щось інше начебто немає ніякого сенсу. Однак Стейнхардт вважає, що початкові умови запуску інфляції, як вони прописані в теорії Гута і його послідовників, в статистичному плані незмірно менш правдоподібні, ніж та картина виникнення світобудови, яку намалювала нова теорія. Іншими словами, ймовірність реалізації цих умов незрівнянно менше, ніж ймовірність народження спочатку плоскою Всесвіту. Якщо прийняти цю точку зору, то пошук альтернативних моделей випаде цілком розумним.
В кінцевому рахунку все вирішать спостереження. Інфляційна космологія стверджує, що Всесвіт повинні пронизувати хвилі тяжіння певного виду, яким немає місця в циклічної моделі. Поки що гравітаційні хвилі ще не відкриті - ні ті, що імовірно залишилися в спадок від стадії інфляційного розширення Всесвіту, ні будь-які інші (наприклад, хвилі, які зобов'язані випускати пари нейтронних зірок, що обертаються навколо один одного). Однак астрофізики будують і будуватимуть все більш чутливі детектори гравітаційного випромінювання, так що реєстрація космічних гравітаційних сигналів швидше за все вже не за горами. Якщо не вдасться виявити хвилі, передбачені інфляційної космологією, багато теоретиків займуться конкуруючими теоріями, в тому числі і циклічної моделлю. У всякому разі, на це сподівається Пол Стейнхард , Про що він і написав в одному з випусків Scientific American.
Нейтральне думку
Активні розробники інфляційної космології гіпотезу Стейнхардт і Тьюрока, звичайно, не сприймають. У пошуках більш нейтральною оцінки я звернувся до одного з найбільших американських астрофізиків, професору Гарвардського університету Аві Лебу (Avi Loeb). Він зазначив, що в науці завжди вітається поява альтернатив навіть самим апробованим теоріям.
На його думку, Стейнхардт і Тьюроку поки не вдалося показати, що їх модель математично виводиться з якоїсь фундаментальної фізичної теорії. В даний час вона спочиває тільки на декількох недоведених припущеннях, а це не дуже міцну основу. Крім того, ця модель поки що практично неможливо перевірити, оскільки мало що передбачає, крім відсутності хвиль тяжіння, прогнозованих інфляційної космологією. Навіть якщо гравітаційні детектори нового покоління таких не виявлять, звідси ще не буде слідувати, що циклічну модель треба вважати доведеною. У той же час Аві Леб не приховував, що вважає цю модель вельми дотепною і буде тільки радий, якщо її авторам вдасться знайти для неї міцний фундамент.
Олексій Левін
Досить мало для такого значного об'єкта, як Всесвіт, чи не так?А якщо без інфляції?
