Отскок Вселенной: противоположность Большому Взрыву
Людей всегда увлекали две основные теории о происхождении Вселенной. «В одной из них Вселенная возникает в едином моменте творения (как в иудеохристианской и бразильской космогонии)», писали космологи Марио Новелло и Сантьяго Перес-Берглиффа в 2008 году. В другой — «Вселенная вечна и состоит из бесконечной серии циклов (как в космогонии вавилонян и египтян)». Разделение в современной космологии «каким-то образом эхом вторит космогоническим мифам», писали космологи.
Может показаться, что особого противоборства в последние несколько десятилетий не было. Теория Большого Взрыва, стандартная тема в учебниках и телепередачах, пользуется сильной поддержкой у современных космологов. Картина вечной вселенной была предпочтительней около сотни лет назад, но потеряла поддержку, когда астрономы увидели, что космос расширяется и что он был маленьким и простым 14 миллиардов лет назад. В самой популярной современной версии этой теории Большой Взрыв начался с так называемой «космической инфляции» — всплеска экспоненциального расширения, в ходе которого бесконечно малый кусочек пространства-времени раздулся в огромный, плоский, макроскопический космос, который с тех пор продолжал расширяться.
Сегодня, используя один исходный ингредиент (инфлатонное поле), инфляционные модели воспроизводят многие известные детали космоса. Но в качестве истории происхождения теория инфляции проигрывает во многом: непонятно, что ей предшествовало и было до. Многие теоретики полагают, что инфлатонное поле должно естественным образом вписываться в более полную, хоть и пока неизвестную, теорию происхождения времени.
За последние несколько лет все больше космологов стали осторожно пересматривать альтернативу. Говорят, что Большой Взрыв мог быть… Большим Отскоком. Некоторые космологи предпочитают видеть картину, в которой Вселенная расширяется и циклически сжимается словно легкое, отскакивая всякий раз, когда сжимается до определенного размера; другие же предполагают, что космос отскочил лишь раз — и что он сжимался до отскока в течение бесконечно долгого времени и будет расширяться бесконечно долго после этого. В любой модели время продолжает течь в прошлое и будущее без конца.
С современной наукой есть надежда разрешить эту древнюю дискуссию. В ближайшие годы телескопы должны найти убедительные доказательства космической инфляции. Во время первого буйного роста — если он был — квантовая рябь на ткани пространства-времени должна была растянуться и отпечататься в виде небольших завихрений в поляризации древнего света — космического микроволнового фона. Эксперименты с участием современных и будущих телескопов ищут эти завихрения. Если их не найдут за следующие несколько десятилетий, это также не будет означать, что теория инфляции неверна (в конце концов, эти завихрения могут слишком тусклыми), но зато укрепит позиции космологии отскока, по которой этих завихрений не должно быть.
Несколько групп ученых одновременно добились поразительного прогресса. В прошлом году физики определили два новых варианта возможного отскока. Одна из моделей, описанная в работе, появившейся в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, была представлена Анной Идджас из Колумбийского университета, в продолжение ее предыдущей работы совместно с космологом Полом Штейнхардтом. Неожиданно, но другое новое решение с отскоком, принятое к публикации в Physical Review D, было предложено Питером Грэмом, Дэвидом Капланом и Сурджитом Рахендраном, хорошо известной тройкой ученых, которые занимались больше вопросами физики частиц и не имели отношения к сообществу космологов отскока.
Вообще, этот вопрос приобрел новое значение в 2001 году, когда Штейнхардт и еще три космолога заявили, что период медленного сжатия в истории Вселенной может объяснить ее исключительную гладкость и плоскость, которые мы наблюдаем сегодня, даже после отскока — без необходимости подключать инфляцию.
Безупречная простота вселенной, тот факт, что ни одна область неба не содержит больше материи, чем любая другая, и что пространство настолько плоское, насколько могут видеть телескопы, — все это удивительно и необъяснимо. Чтобы космос был настолько однородным, каким он является, эксперты считают, что когда космос был сантиметр в поперечнике, он должен был иметь одинаковую плотность всюду в пределах одной части на 100 000. Но по мере роста из небольших размеров, материя и энергия должны были немедленно комковаться и искажать пространство-время. Почему же наши телескопы не видят вселенную, разрушенную гравитацией?
«Инфляция вышла из идеи того, что гладкость и плоскость вселенной — это безумие», говорит космолог Нил Турок, директор Института теоретический физики Периметра в Ватерлоо, Онтарио, и соавтор работы 2001 года на тему космического сжатия, написанной Штейнхардтом, Джастином Хоури и Бертом Оврутом. По сценарию инфляции, регион размером с сантиметр вышел в процессе инфляционного расширения еще меньшего региона — небольшого пятнышка размером не больше одной триллионной от триллионной доли сантиметра. Растягиваясь в плоском и гладком инфлатонном поле, это пятнышко не должно было проходить через сильные флуктуации пространства и времени и растянулось в большую и гладкую вселенную вроде нашей. Раман Сундрум, физик-теоретик из Университета Мэриленда, сказал, что в инфляции ему нравится «встроенная отказоустойчивость». Если в процессе фазы взрывного роста и было накопление энергии, которое искажало пространство-время в определенном месте, эта концентрация должна была быстро расшириться.
Однако откуда конкретно пришло это невероятно маленькое пятнышко и почему оно было таким гладким и плоским, никто не знает. Теоретики нашли много возможных вариантов включить инфлатонное поле в теорию струн, на основе которой может быть создана квантовая теория гравитации. Но пока нет фактов ни за, ни против этих идей.
Космическая инфляция также имеет спорное следствие. Теория, представленная в 1980-х годах Аланом Гутом, Андреем Линде, Алексеем Старобинским и Штейнхардтом, почти автоматически приводит к гипотезе о том, что наша Вселенная — это случайный пузырь в бесконечном море мультивселенных. Как только инфляция начинается, расчеты показывают, что она будет продолжаться вечно и останавливаться только местами, в «кармашках», в которых затем будут расцветать вселенные по типу нашей. Возможность вечно расширяющейся в процессе инфляции мультивселенной подсказывает, что конкретно наш пузырь может навсегда остаться непонятным, поскольку все возможное происходило в мультивселенной бесконечное множество раз. Разумеется, такой вывод вызывает рвотный позыв у экспертов. Сложно представить, что наша вселенная может быть лишь одна из множества. Штейнхардт и сам назвал эту идею «чушью».
Это отношение частично мотивировало его и других исследователей заняться отскоками. «В модели отскока нет периода инфляции», говорит Турок. Вместо этого они добавили период сжатия перед Большим Взрывом, объясняющий нашу однородную вселенную. «Как газ в вашей комнате полностью однородный, потому что молекулы воздуха столкнулись и перемешались, так и Вселенная была большой и медленно сжалась, что дало ей время разгладиться».
Хотя первые модели сжимающейся Вселенной были запутанными и неточными, многие ученые убедились в основной идее: что медленное сжатие может объяснить многие особенности нашей расширяющейся Вселенной. «И тогда узким бутылочным горлышком стал отскок. Люди сошлись во мнении, что перейти в фазу сжатия весьма интересно, но не в том случае, если вы не можете перейти в фазу расширения».
Отскок — это непросто. В 1960-х годах британские физики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг доказали набор так называемых «теорем о сингулярности», показывающих, что в очень общих условиях сжатие материи и энергии неизбежно обернется неизмеримо плотной точкой — сингулярностью. Эти теоремы с трудом могут вместить представление, как сжимающаяся вселенная, в которой материя, пространство-время и энергия сворачиваются внутрь, избегает коллапса до сингулярности — в которой классическая теория гравитации и пространства-времени Альберта Эйнштейна перестает функционировать и в которой начинают работать правила квантовой гравитации. Почему сжимающаяся вселенная сможет избежать судьбы массивной звезды, которая умирает, сжимаясь в точку, и становится черной дырой?
Обе предложенных модели отскока используют бреши в теоремах о сингулярности — те, которые много лет казались тупиковыми. Космологи отскока давно признали, что отскоки могут быть возможными, если бы вселенная содержала вещество с отрицательной энергией (или другие источники отрицательного давления), которое бы противодействовало гравитации и отталкивало бы все. Ученые пытались использовать эту лазейку с начала 2000-х годов, но всегда приходили к тому, что добавление ингредиентов с отрицательной энергией делает их модели вселенной нестабильными, потому что квантовые флуктуации положительной и отрицательной энергии могут спонтанно рождаться в вакууме космоса с нулевой энергией. В 2016 году российский космолог Валерий Рубаков и его коллеги даже доказали теорему, которая исключила большой класс механизмов отскока.
Затем Идджас нашла механизм отскока, который может обойти и это исключение. Ключевой ингредиент в ее модели — простая сущность, «скалярное поле», которое, по идее, могло вступить в игру, когда вселенная сжималась и энергия становилась высококонцентрированной. Скалярное поле могло спрятать себя в гравитационном поле таким образом, чтобы оказывать отрицательное давление на вселенную, препятствуя сжатию и растягивая пространство-время. Работа Идджас — «лучшая попытка обуздать все возможные нестабильности и создать по-настоящему стабильную модель с этим особенным типом вещества», говорит Жан-Люк Лейнерс, космолог-теоретик из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии, который также работал над вариациями отскока.
Грэм, Каплан и Рахендран представили свою идею не-сингулярного отскока в препринте на сайте arxiv.org в сентябре 2017 года. Свою работу они начали с вопроса о том, могла ли предыдущая фаза сжатия в истории вселенной объяснить значение космологической постоянной — разительно небольшого числа, которое определяет количество темной энергии, вшитой в ткань пространства-времени, энергии, которая подталкивает ускоряющееся расширение вселенной.
Работая над самой сложной частью — отскоком — тройка ученых использовала вторую, в значительной степени забытую лазейку в теоремах сингулярности. Они черпали вдохновение из странной модели вселенной, предложенной логиком Куртом Геделем в 1949 году, когда он вместе с Эйнштейном работал в Институте передовых исследований в Принстоне. Гедель использовал законы общей теории относительности для создания теории вращающейся вселенной, вращение которой удерживало ее от гравитационного коллапса точно так же, как орбита Земли не дает ей упасть на Солнце. Гедель особенно подчеркивал тот факт, что его вращающаяся вселенная допускала «закрытые времениподобные кривые», то есть по сути петли времени. До самой смерти он считал, что вселенная вращается в точности как предполагает его модель. Сегодня ученые знают, что это не так; в противном случае одни направления и упорядоченности в космосе были бы предпочтительней других. Но Грэм и компания задумались о небольших, закрученных пространственных измерениях, которые могут существовать в космосе, вроде шести дополнительных измерений, постулируемых теорией струн. Может ли сжимающаяся вселенная вращаться в этих направлениях?
Представьте себе, что есть только одно из этих скрученных дополнительных измерений, крошечный круг в каждой точке пространства. Как говорит Грэм, «в каждой точке пространства есть дополнительное направление, в котором вы можете двигаться, четвертое пространственное измерение, но вы можете пройти лишь небольшую дистанцию и вернетесь в то место, с которого начинали движение». Если же компактных дополнительных измерений будет как минимум три, то по мере сжатия вселенной вещество и энергия могут начать крутиться в них, и сами измерения будут крутиться с материей и энергией. Вращение в дополнительных измерениях может внезапно инициировать отскок. «Все это вещество, которое должно было сжаться в сингулярность, из-за вращения в дополнительных измерениях не попадет туда», говорит Грэм. «Все это вещество должно было сжаться в одной точке, но вместо этого оно улетит прочь».
Работа ученых привлекла внимание людей за пределом обычного круга космологов отскока. Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, относится к ней скептически, но называет саму идею «очень умной». Он считает, что важно разрабатывать альтернативы традиционной истории инфляции, чтобы понять, насколько лучше теория инфляции будет смотреться в сравнении — особенно когда будут запущены телескопы нового поколения. Он также считает, что если у альтернативной теории будет хотя бы 5% шанса на успех, ее стоит проверить. И эта работа — не исключение.