Ни срока, ни конца10

• Тигран Оганесян

"Вначале был Большой взрыв. До него ничего не было. Не было и пространства со временем". Если вас вполне устраивает эта известная со школьной скамьи космологическая мантра, тогда знакомство с теорией американца Пола Стейнхардта (Принстонский университет) и британца Нила Тюрока (Кембриджский университет) можно отложить. Если же вы до сих пор не свыклись с идеей, что нашей Вселенной всего около 15 млрд лет от роду, тогда -- к делу.

Эксцентричная теория Стейнхардта--Тюрока быстро обзавелась полуофициальным ярлыком "новая модель циклической Вселенной". Сами же ее изобретатели предпочитают название "экпиротическая модель" (от греческого ekpyrosis -- большой пожар, сожжение), отсылающее к космологической теории стоической школы древнегреческой философии, согласно которой наш мир родился из гигантской огненной вспышки, и это было лишь последним из множества повторяющихся во времени циклических процессов созидания и разрушения бытия.

В одном из своих комментариев Стейнхардт сказал: "Мейнстрим подразумевает, что Большой взрыв -- это начало пространства и времени, в начале было ничто, и из этого ничто появились пустота, время, материя, излучение и так далее. Мы предлагаем новую картину, в которой Большой взрыв -- не начало времени, а лишь начало последнего цикла из бесконечной серии нагревания, расширения, застоя, опустошения и вновь расширения".

Конечно, сама идея циклической Вселенной отнюдь не нова. Она присутствовала не только у стоиков, но и в древнеиндийской мифологии, а в относительно недавней истории ее активно разрабатывали Фридрих Ницше и Эдгар Алан По. Довольно популярной она была в 20─30-е годы прошлого века, на заре релятивистской космологии: эту идею рассматривали Альберт Эйнштейн, а также Александр Фридман, Жорж Леметр и Ричард Толман. Но, по большому счету, все эти ранние попытки моделирования циклической Вселенной были лишь игрой, лишенной серьезного теоретического обоснования. В случае же с моделью, предложенной Стейнхардтом и Тюроком (новейшая версия этой модели, вызвавшая шквал откликов в различных СМИ, появилась 4 мая в журнале Science Express), теоретический бэкграунд весьма солиден. Так, по мнению британской газеты The Globe, "теория циклической Вселенной Стейнхардта--Тюрока уже признана первой за последние два десятка лет заслуживающей внимания новой космологической идеей".

Спасительная инфляция

За вторую половину ХХ века астрофизика накопила огромный экспериментальный багаж знаний, убедительно доказывающих справедливость базовых положений мейнстримовской (консенсусной) теории эволюции Вселенной. Если попытаться составить ее резюме, то оно будет выглядеть так.

История Вселенной имеет начало, пространство и время зародились в момент так называемого Большого взрыва, с его момента прошло около 15 млрд лет. После взрыва Вселенная начала расширяться, причем составляющие ее галактики постепенно удаляются друг от друга. Пространство растягивается во все стороны, и чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Плотность вещества во Вселенной убывает с течением времени, она становится все более и более разреженной. О расширении Вселенной прямо свидетельствует так называемое покраснение света -- смещение в красную сторону наблюдаемого спектра световых волн, испускаемых удаленными от нас звездами или галактиками, под действием эффекта Допплера. Более поздние наблюдения за Вселенной показали, что в ней есть достаточно однородное электромагнитное излучение (радиационный космический фон) в виде реликтовых (образовавшихся на раннем этапе эволюции Вселенной) фотонов. Именно два последних факта (доказательства расширения Вселенной и наличие радиационного космического фона) признаются сегодня важнейшими кирпичиками в фундаменте классической теории Большого взрыва.

Тем не менее эта теория долгое время не могла объяснить ряд проблем, связанных прежде всего с ранним этапом эволюции Вселенной. В частности, непроясненным был вопрос о природе физических процессов, обусловивших быстрое разрастание Вселенной сразу же после Большого взрыва.

В начале 80-х годов ХХ столетия американец Алан Гут и параллельно с ним наш советский физик Андрей Линде (позднее, в 1988 году, эмигрировавший на Запад) дополнили классическую теорию, предложив инфляционную модель расширения ранней Вселенной. Согласно этой теории, в самые первые мгновения после Большого взрыва начиная с 10^─34 сек. до 10^─32 сек. благодаря кратковременному действию некоего неведомого энергетического поля размеры Вселенной увеличивались чудовищно быстрыми по сравнению с сегодняшними темпами: каждые 10^─34 сек. она удваивала свой объем. И именно благодаря этому мимолетному гиперинфляционному периоду своей истории Вселенная очень быстро приобрела вместо изначально искривленной пространственно-временной формы сильно растянутую (близкую к плоской).

Эта весьма радикальная гипотеза довольно быстро нашла поддержку в мировом астрофизическом сообществе, поскольку с ее помощью удалось разрешить целый ряд несообразностей, присутствовавших в классической модели Большого взрыва. В частности, была снята проблема однородности Вселенной -- загадка того, почему она выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях. По Гуту--Линде, она разрешается такой аналогией: точно так же, как при надувании воздушного шарика разглаживаются все его морщинки, при раннем экспоненциальном расширении Вселенной произошло мгновенное разглаживание подавляющего большинства ее исходных неоднородностей и складок.

По классической теории Эйнштейна, скорость расширения Вселенной зависит как от наполняющей ее материи (энергии и вещества), так и от геометрии пространства. Но благодаря раннему инфляционному сглаживанию пространственной геометрии ее влияние на дальнейший процесс расширения Вселенной стало бесконечно малым, и темпы этого расширения позднее определялись лишь динамикой изменения плотности космической материи. Соответственно, вычислив скорость позднего расширения Вселенной, космологи смогли на базе уравнений общей теории относительности получить оценочную величину этой плотности -- порядка 10^─29 г/см³  (это значение было названо критической плотностью).

Недостача

Крупные космологические открытия последних полутора десятилетий заставили ученых в очередной раз усомниться в корректности подправленной было Гутом и Линде неоклассической эволюционной схемы. Во-первых, даже с учетом инфляционной добавки в ней сохранилась полная неясность относительно того, как в рамках этой схемы бороться с "проблемой начала всех начал". Дело в том, что, по всем расчетам, Вселенная в момент Большого взрыва должна была представлять собой не комок вещества определенных размеров, а лишенную каких бы то ни было размеров особую точку, так называемую точку сингулярности. Соответственно, в этой пресловутой точке плотность вещества и энергии должна была достигать бесконечности, что не имеет физического смысла.

Во-вторых, произведенный астрофизиками подсчет суммарной плотности вещества во Вселенной показал, что ее экспериментально установленная величина существенно недотягивает до теоретически рассчитанной. Причем, хотя космологи сравнительно давно установили, что обычное вещество, из которого состоят все известные физике элементарные частицы, вкладывает всего 5% в полную плотность энергии во Вселенной, долгое время у них сохранялись радужные иллюзии относительно того, что недостающие 95% просто приходятся на долю некоей еще пока не обнаруженной темной материи. Иными словами, ученые рассчитывали, что рано или поздно при помощи более совершенной измерительной аппаратуры им удастся найти новые, не открытые еще в земных условиях частицы, которые полностью компенсируют эту колоссальную недостачу космического вещества.

Увы, эти надежды окончательно рассеялись к концу 90-х, после того как в результате серии точных измерений астрофизики пришли к выводу, что даже с учетом всех известных и еще не известных форм на материальную составляющую должно приходиться не более половины теоретически рассчитанной критической плотности космического вещества. А согласно самым последним прикидкам ученых, совокупный вклад обычной и темной материи и того меньше -- лишь около трети суммарной энергии Вселенной.

Где же спрятаны оставшиеся две трети? Частичный ответ на этот каверзный вопрос был найден учеными благодаря важнейшему космологическому открытию все в тех же 90-х: оказалось, что процесс расширения Вселенной не только не замедляется, как долгое время считало большинство астрофизиков, а напротив, ускоряется, и начало этому новому ускорению было положено примерно 10 млрд лет назад.

Дабы объяснить этот очередной парадокс, космологи предположили, что ответственная за новое ускорение таинственная субстанция -- это заполняющая всю Вселенную некая темная энергия, на которую и приходятся "провисающие" 65─70% суммарной энергии Вселенной. Причем у темной энергии обнаружилось такое любопытное свойство, как отрицательное давление: темная энергия обладает антигравитационным эффектом, который и обеспечивает ускоренное расширение Вселенной.

В попытках расшифровать природу этой таинственной субстанции космологи изначально выдвинули гипотезу, что темная энергия представляет собой пресловутую космологическую константу (другое ее название -- лямбда-член), впервые введенную в уравнения общей теории относительности еще Альбертом Эйнштейном.

Эйнштейну эта константа понадобилась для того, чтобы в рамках модели стационарной Вселенной уравновесить действие сил гравитационного притяжения. Однако после того, как молодой советский физик Александр Фридман, талантливый последователь теории Эйнштейна, на базе его уравнений в 1922─1923 годах показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной (звездные системы должны либо удаляться, либо сближаться друг с другом), необходимость в этой космологической константе сразу отпала, и она была надолго забыта теоретиками.

Увы, заново извлеченная из небытия космологическая константа, на этот раз привязанная космологами к энергии вакуума (точнее, к его энергетической плотности), подставила ножку сторонникам модернизированной теории Большого взрыва: оказалось, что ее расчетное значение на 120 с лишним порядков (!) выше полученного экспериментально.

До сих пор разрешить это дикое расхождение величин в рамках классической теории никому не удалось. Поэтому в поисках возможных альтернативных вариантов космологи были вынуждены пойти другим путем, то есть предположить, что пресловутая темная энергия -- это пронизывающее всю Вселенную новое сверхслабое поле, энергетическая плотность которого может динамически варьироваться в пространстве и времени. И именно второй вариант трактовки темной энергии как динамического поля был взят за основу творцами альтернативной циклической модели Вселенной Стейнхардтом и Тюроком.

Без сингулярности

Что же придумали Стейнхардт и Тюрок для объяснения природы таинственной энергетической субстанции и ее поведения во времени?

Согласно их базовой теории, темная энергия -- это единое энергетическое поле, пронизывающее всю Вселенную, в основном заполненную вакуумом. Далее изобретательные "циклики" воспользовались идеей, впервые предложенной американцем Ларри Эбботтом в 1985 году: по его версии, плотность энергии вакуума на более ранних этапах эволюции Вселенной была намного выше. Эбботт также постулировал, что этот процесс понижения плотности вакуума происходил не постепенно, а скачками, причем каждый новый скачок занимал большее время, чем предшествующий.

Однако когда Эбботт попытался смоделировать этот сценарий в рамках классической теории Большого взрыва, выяснилось, что для достижения текущего значения плотности вакуума требуется время, намного превосходящее 15 млрд лет, прошедших с момента "начала всех начал".

Мейнстрим такой расчет, разумеется, не устроил, зато Стейнхардт и Тюрок с удовольствием ухватились за эту идею Эбботта, так как она отлично укладывалась в их циклическую модель, в которой каждый цикл длится порядка одного триллиона лет. По новейшей версии Стейнхардта и Тюрока, фактически повторивших идею Эбботта, плотность вакуума снижается с каждым новым вселенским циклом и даже внутри них. Снижение происходит не постепенно, а рывками, то есть после каждого падения плотности наступает очень долгая пауза (так называемый период релаксации, который к тому же имеет свойство все более и более удлиняться), в течение которой ее величина остается постоянной.

Таким образом, согласно новой циклической теории, в далеком прошлом (несколько сотен, а то и тысяч циклов назад, каждый из которых, напомним, составляет, по Стейнхардту--Тюроку, около триллиона лет) величина лямбда-члена (этот термин, равнозначный плотности вакуума, они позаимствовали у мейнстрима) была очень большой. В свою очередь, это означает, что тогда, триллионы триллионов лет назад, в нашей Вселенной не могли возникнуть условия для появления сколько-нибудь значимых неоднородностей (скоплений "правещества"), и, соответственно, древнейшая Вселенная представляла собой абсолютно безжизненное пространство, на 99,99% заполненное лишь пресловутым вакуумом.

И лишь относительно недавно -- "всего лишь" несколько циклов назад, а быть может, и того меньше -- снижение плотности вакуумного поля дошло до таких значений, когда у обычного вещества, формируемого в начале каждого нового цикла, наконец появилась возможность превратиться в те крупномасштабные космические неоднородности (галактики, звезды и проч.), которые и характеризуют структуру поздней Вселенной с очень маленьким значением лямбда-члена.

При этом температура и плотность вещества во Вселенной ни в какой точке цикла не становятся бесконечными, то есть для них есть какие-то предельные величины. Что же касается нынешней однородности и "гладкости" Вселенной, то они объясняются не какими-то "инфляционными фокусами", случившимися с ней в считанные доли секунды после Большого взрыва, а эволюционной логикой событий, происходивших во Вселенной до него: физические процессы, происходящие в предшествующем цикле, оказывают определяющее влияние на процессы в следующем.

На чем основывается эта прихотливая эволюционная логика? Прежде всего на новейших суперструнных теориях, согласно которым Вселенная состоит из большого количества измерений, некоторые из которых просто не доступны нашему восприятию (суммарное число измерений, по разным версиям, варьируется от пяти до одиннадцати). В наиболее простом варианте, обычно используемом в своих объяснениях Стейнхардтом и Тюроком, наша Вселенная -- это трехмерная гиперповерхность, разместившаяся на тонкой плоской мембране. Развивая далее эти сюрреалистические образы, Пол Стейнхардт предлагает и такую своеобразную аналогию: все обычное вещество (кварки, электроны, фотоны и т. д.) можно уподобить мухам на этой "липучке-мембране".

На самом деле мембрана не одна -- их две. На протяжении сотен миллиардов лет две мембраны-Вселенные благодаря разгоняющему действию темной энергии, присутствующей в обоих мирах, разглаживаются, постепенно лишаясь всех изначально имеющихся в них неоднородностей (галактик, звезд и т. п.). Это разглаживание (уменьшение плотности вещества) в конце концов приводит к тому, что вещество и излучение на мембранах практически полностью рассеиваются (космическое пространство пустеет). И на этом конечном этапе цикла в дело наконец активно вступает промежуточное гравитационное поле, которое заставляет две соседние мембраны сталкиваться (коллапсировать) друг с другом. В момент коллапса (условного аналога Большого взрыва, который происходит по всей поверхности контактирующих друг с другом параллельных мембран) на обеих мембранах происходит одномоментное образование многочисленных неоднородностей (иными словами, возникают колоссальные флуктуации температуры и плотности), которые и становятся зародышами вещества и излучения нового цикла. Важнейшим отличием новой циклической модели от более ранних версий начала ХХ века ее авторы считают тот факт, что в их сценарии циклических коллапсов мембран трехмерные гиперповерхности-Вселенные в момент коллапса сами не сжимаются (то есть в этом циклическом взрыве не возникает пресловутых точек сингулярности), а сжимается лишь то самое дополнительное измерение -- гравитационное поле, которое находится между ними.

• Российские полярники совершили самое крупное открытие 2012 года
• Место встречи — Северный полюс
• В Новосибирске открылся крупный планетарий