Otabek Berdiev

A Trillion Years Before the Big Bang

2021-08-08T12:19:13.731Z

The Big Bang theory has a strong competitor in this decade - the cyclical theory. The title of this article may not sound like a clever joke. According to the generally accepted cosmological concept, the Big Bang theory, our Universe emerged from an extreme state of a physical vacuum generated by a quantum fluctuation. In this state, neither time nor space existed (or they were entangled in space-time foam), and all fundamental physical interactions were fused together. Later they separated and acquired an independent existence - first gravity, then strong interaction, and only then - weak and electromagnetic.

Photo by Berdio

The moment that preceded these changes is usually denoted as zero time, t = 0, but this is pure convention, a tribute to mathematical formalism. According to the standard theory, the continuous flow of time began only after the force of gravity became independent. This moment is usually attributed to the value t = 10 ^ -43 s (more precisely, 5.4x10 ^ -44 s), which is called the Planck time. Modern physical theories are simply not able to meaningfully work with shorter periods of time (it is believed that this requires a quantum theory of gravity, which has not yet been created). In the context of traditional cosmology, it makes no sense to talk about what happened before the initial moment of time, since time in our understanding simply did not exist at that time.

The Big Bang theory is trusted by the absolute majority of scientists studying the early history of our Universe. It really explains a lot and does not contradict the experimental data in any way. Recently, however, it has a competitor in the face of a new, cyclical theory, the foundations of which were developed by two extra-class physicists - director of the Institute of Theoretical Science at Princeton University Paul Steinhardt and laureate of the Maxwell Medal and the prestigious international TED award Neil Turok, director of the Canadian Institute for Advanced Study in Theoretical Physics (Perimeter Institute for Theoretical Physics). With the help of Professor Steinhardt, Popular Mechanics tried to talk about the cyclical theory and the reasons for its appearance.

Inflationary cosmology

An indispensable part of the standard cosmological theory is the concept of inflation. After the end of inflation, gravitation came into its own, and the Universe continued to expand, but at a decreasing rate. This evolution stretched over 9 billion years, after which another anti-gravitational field of a still unknown nature, which is called dark energy, entered into action. It again brought the Universe into a mode of exponential expansion, which seems to be preserved in future times. It should be noted that these conclusions are based on astrophysical discoveries made at the end of the last century, almost 20 years after the appearance of inflationary cosmology.

The inflationary interpretation of the Big Bang was first proposed about 30 years ago and has been refined many times since then. This theory allowed to resolve several fundamental problems that previous cosmology failed to cope with. For example, she explained why we live in a universe with a flat Euclidean geometry - according to the classical Friedmann equations, this is exactly what it should do with exponential expansion. The inflationary theory explained why cosmic matter is granular on a scale not exceeding hundreds of millions of light years, and is evenly distributed over long distances. She also gave an interpretation of the failure of any attempts to detect magnetic monopoles, very massive particles with a single magnetic pole, which are believed to have been born in abundance before the onset of inflation (inflation stretched space so much that the initially high density of monopoles was reduced to almost zero, and therefore our instruments cannot detect them).

Soon after the inflationary model appeared, several theorists realized that its internal logic did not contradict the idea of permanent multiple birth of more and more new universes. Indeed, quantum fluctuations, like those to which we owe our world to exist, can occur in any quantity if the conditions are right. It is not excluded that our universe has left the fluctuation zone formed in the predecessor world. In the same way, it can be assumed that sometime and somewhere in our own Universe a fluctuation is formed, which “blows out” a young Universe of a completely different kind, also capable of cosmological “procreation”. There are models in which such child universes arise continuously, branch off from their parents and find their own place. Moreover, it is not at all necessary that the same physical laws are established in such worlds. All these worlds are "nested" in a single space-time continuum, but they are so spaced apart that they do not feel each other's presence in any way. In general, the concept of inflation allows - moreover, compels! - to believe that in the gigantic Megaspace there are many isolated Universes with different structures.

Alternative

Theoretical physicists love to come up with alternatives to even the most generally accepted theories. The inflationary model of the Big Bang also has competitors. They did not receive wide support, but they have and have their own followers. The theory of Steinhardt and Turok among them is not the first and certainly not the last. However, to date, it has been developed in more detail than the others and better explains the observed properties of our world. It has several versions, some of which are based on quantum string theory and multidimensional spaces, while others rely on traditional quantum field theory. The first approach gives more vivid pictures of cosmological processes, so we will dwell on it.

The most advanced version of string theory is known as M-theory. She claims that the physical world has 11 dimensions - ten spatial and one temporal. Spaces of lower dimensions, the so-called branes, float in it. Our universe is just one such brane, with three spatial dimensions. It is filled with various quantum particles (electrons, quarks, photons, etc.), which are actually open vibrating strings with only one spatial dimension - length. The ends of each string are firmly fixed inside a three-dimensional brane, and the string cannot leave the brane. But there are also closed strings that can migrate outside the branes - these are gravitons, quanta of the gravitational field.

How does the cyclical theory explain the past and future of the universe? Let's start with the current era. First place now belongs to dark energy, which is causing our universe to expand exponentially, periodically doubling in size. As a result, the density of matter and radiation constantly decreases, the gravitational curvature of space weakens, and its geometry becomes more and more flat. Over the next trillion years, the size of the universe will double about a hundred times and it will turn into an almost empty world, completely devoid of material structures. Next to us is another three-dimensional brane, separated from us by an insignificant distance in the fourth dimension, and it too undergoes a similar exponential expansion and flattening. All this time, the distance between the branes remains practically unchanged.

And then these parallel branes begin to converge. They are pushed towards each other by a force field, the energy of which depends on the distance between the branes. Now the energy density of such a field is positive, so the space of both branes is expanding exponentially - hence, it is this field that provides the effect that is explained by the presence of dark energy! However, this parameter is gradually decreasing and in a trillion years will fall to zero. Both branes will continue to expand anyway, but not exponentially, but at a very slow pace. Consequently, in our world, the density of particles and radiation will remain almost zero, and the geometry will be flat.

New cycle

But the end of the old story is just a prelude to the next cycle. The branes move towards each other and eventually collide. At this stage, the energy density of the interbranch field drops below zero, and it begins to act like gravity (let me remind you that the potential energy of gravity is negative!). When the branes are very close, the inter-brane field begins to amplify quantum fluctuations at every point in our world and transforms them into macroscopic deformations of spatial geometry (for example, in a millionth of a second before the collision, the calculated size of such deformations reaches several meters). After the collision, it is in these zones that the lion's share of the kinetic energy released during the impact is released. As a result, it is there that most of the hot plasma with a temperature of the order of 10 ^ 23 degrees arises. It is these regions that become local nodes of gravitation and turn into the embryos of future galaxies.

Such a collision replaces the Big Bang of inflationary cosmology. It is very important that all newly formed matter with positive energy appears due to the accumulated negative energy of the interbranch field, therefore the law of conservation of energy is not violated.

Inflationary theory allows for the formation of multiple daughter universes that continually sprout from existing ones. And how does such a field behave at this decisive moment? Before the collision, the density of its energy reaches a minimum (and negative), then begins to increase, and upon collision it becomes zero. The branes then repel each other and begin to disperse. The density of the inter-branched energy goes through the reverse evolution - again it becomes negative, zero, positive. The brane, enriched with matter and radiation, first expands with a decreasing speed under the braking effect of its own gravitation, and then again goes over to exponential expansion. The new cycle ends like the previous one - and so on ad infinitum. The cycles preceding ours took place in the past - in this model, time is continuous, so the past exists beyond the 13.7 billion years that have passed since the last enrichment of our brane with matter and radiation! Whether they had any beginning at all, the theory is silent.

Cyclic theory explains the properties of our world in a new way. It has a flat geometry, since at the end of each cycle it stretches excessively and only slightly deforms before starting a new cycle. Quantum fluctuations, which become the precursors of galaxies, arise chaotically, but on average evenly - therefore, outer space is filled with clumps of matter, but at very large distances it is quite homogeneous. We cannot detect magnetic monopoles simply because the maximum temperature of the newborn plasma did not exceed 10 ^ 23 K, and much higher energies are required for the appearance of such particles - on the order of 10 ^ 27 K.

The moment of the Big Bang is the collision of the branes. A huge amount of energy is released, the branes scatter, a slowing expansion occurs, matter and radiation cool, and galaxies are formed. The expansion is again accelerated due to the positive inter-branched energy density, and then it slows down, the geometry becomes flat. Branes are attracted to each other, before the collision, quantum fluctuations are amplified and transform into deformations of spatial geometry, which in the future will become the seeds of galaxies. A collision occurs and the cycle begins over again, a world without beginning or end.

The cyclical theory exists in several versions, as does the inflation theory. However, according to Paul Steinhardt, the differences between them are purely technical and interesting only to specialists, the general concept remains unchanged: “First, in our theory there is no moment of the beginning of the world, no singularity. There are periodic phases of intense creation of matter and radiation, each of which, if desired, can be called the Big Bang. But any of these phases does not mark the emergence of a new universe, but only a transition from one cycle to another. Both space and time exist both before and after any of these cataclysms. Therefore, it is quite natural to ask what was the state of affairs 10 billion years before the last Big Bang, from which the history of the universe is counted.

The second key difference is the nature and role of dark energy. Inflationary cosmology did not predict the transition of a decelerating expansion of the Universe to an accelerated one. And when astrophysicists discovered this phenomenon by observing the explosions of distant supernovae, standard cosmology did not even know what to do about it. The hypothesis of dark energy was put forward simply in order to somehow tie the paradoxical results of these observations to the theory. And our approach is much better sealed by internal logic, since we have dark energy from the very beginning and it is this energy that ensures the alternation of cosmological cycles. " However, as Paul Steinhardt notes, the cyclic theory also has weak points: “We have not yet been able to convincingly describe the collision and rebound process of parallel branes that takes place at the beginning of each cycle. Other aspects of the cyclical theory are much better developed, and there are still many ambiguities to be cleared. "

Practice check

But even the most beautiful theoretical models need experimental verification. Can cyclic cosmology be confirmed or disproved by observation? “Both inflationary and cyclical theories predict the existence of relic gravitational waves,” explains Paul Steinhardt. - In the first case, they arise from primary quantum fluctuations, which are smeared over space during inflation and generate periodic oscillations of its geometry - and these, according to the general theory of relativity, are gravitational waves. In our scenario, quantum fluctuations are also the root cause of such waves - the same ones that are amplified by collisions of branes. Calculations have shown that each mechanism generates waves with a specific spectrum and specific polarization. These waves were required to leave imprints on cosmic microwave radiation, which is an invaluable source of information about early space. So far, such traces have not been found, but, most likely, this will be done within the next decade. In addition, physicists are already thinking about the direct registration of relic gravitational waves using spacecraft, which will appear in two to three decades. "

A radical alternative

In the 1980s, Professor Steinhardt made a significant contribution to the development of the standard theory of the Big Bang. However, this did not stop him from looking for a radical alternative to the theory, in which so much work had been invested. As Paul Steinhardt himself told Popular Mechanics, the inflation hypothesis does reveal many cosmological mysteries, but this does not mean that there is no point in looking for other explanations: “At first I was just interested in trying to understand the basic properties of our world without resorting to inflation. Later, when I delved into these issues, I became convinced that the inflationary theory is not at all as perfect as its proponents claim. When inflationary cosmology was just being created, we hoped that it would explain the transition from the initial chaotic state of matter to the current ordered Universe. She did it - but she went much further.

The internal logic of the theory demanded to admit that inflation constantly creates an infinite number of worlds. This would be okay if their physical device was copying our own, but this just does not work. For example, with the help of the inflationary hypothesis, it was possible to explain why we live in a flat Euclidean world, but after all, most other universes will certainly not have the same geometry. In short, we were building a theory to explain our own world, and it got out of hand and spawned an endless variety of exotic worlds. This state of affairs ceased to suit me. In addition, the standard theory is unable to explain the nature of the earlier state, which preceded the exponential expansion. In this sense, it is as incomplete as the pre-inflationary cosmology. Finally, it is unable to say anything about the nature of dark energy, which has been driving the expansion of our Universe for 5 billion years.

Another difference, according to Professor Steinhardt, is the temperature distribution of the background microwave radiation: “This radiation coming from different parts of the sky is not completely uniform in temperature, it has more and less heated zones. At the level of measurement accuracy provided by modern equipment, the number of hot and cold zones is approximately the same, which coincides with the conclusions of both theories - both inflationary and cyclical. However, these theories predict more subtle differences between zones. In principle, they can be detected by the European space observatory 'Planck' launched last year and other newest spacecraft. I hope that the results of these experiments will help to make a choice between inflationary and cyclical theories. But it may also happen that the situation remains uncertain and none of the theories will receive unequivocal experimental support. Well, then I'll have to come up with something new. "

Space holler

За триллион лет до Большого взрыва.

2021-08-08T10:00:59.837Z

У теории Большого взрыва в нынешнем десятилетии существует 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.

Photo by Berdio

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. 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 30 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 явлются 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 объясяет 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 10^23 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 10^23 К, а для возникновения таких частиц потребны много большие энергии — порядка 10^27 К.

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

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 «Популярной механике» сам 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».

За триллион лет до Большого взрыва.

2021-08-08T09:32:09.976Z

Photo by Berdio