Циклическая вселенная: круги на микроволновых полях

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.

Согласно стандартной космологической теории, монополи возникли перед началом инфляционного расширения Вселенной, которое так растянуло пространство, что их плотность снизилась до ненаблюдаемых значений. Если верить циклической космологии, Вселенная никогда не нагревалась до температур, при которых возможно рождение монополей. Так что либо плотность этих частиц чересчур мала, либо они просто не существуют.
С подобным сенсационным заявлением выступил недавно всемирно известный оксфордский астрофизик Роджер Пенроуз (Roger Penrose). По его словам, данные о фоновом микроволновом (реликтовом) излучении Вселенной, собранные американским зондом WMAP, подтвеждают, в общем-то, маргинальную для современной космологии идею о «циклической Вселенной».
Здесь стоит напомнить, что согласно куда более распространенной инфляционной модели Вселенной все мироздание родилось около 13,7 млрд. лет назад из точки бесконечной плотности в результате Большого Взрыва, и с тех пор продолжает расширяться. В наше время расширение это происходит со все большей скоростью, и в конце концов, скорее всего, приведет Вселенную в полностью однородное и холодное состояние.

Пенроуз же начинает с известной проблемы, пока неразрешенной в рамках этой модели – с бесконечно низкой энтропии изначального состояния Вселенной, невероятно высокого уровня упорядоченности, которая с тех пор непрерывно убывает. По мнению ученого, более разумной выглядит версия о циклической природе Вселенной, в которой каждый Большой Взрыв – лишь один из бесконечной череды, открывающий новый этап существования мира.
В какой-то далекий от нас момент, по Пенроузу, Вселенная придет в состояние, весьма напоминающее состояние, предшествовавшее «нашему» Большому Взрыву. Форма, геометрия Вселенной будет становиться все более плоской и однородной, что и позволит ей совершить невероятный переход от состояния бесконечной протяженности к бесконечной малости, чтобы снова развернуться новым Большим Взрывом. Энтропия в момент этого перехода будет чрезвычайно мала, поскольку по мере растяжения Вселенной главные ее носители – черные дыры – все полностью испарятся. 
Пенроуз утверждает, что подтверждения этой гипотезе обнаруживаются в реликтовом излучении – чрезвычайно слабом и холодном микроволновом фоне, равномерно пронизывающем всю Вселенную. Считается, что оно – лишь слабое эхо мощного излучения, бушевавшего в мироздании, когда оно насчитывало порядка пары сотен тысяч лет от роду. Сегодня же реликтовый фон очень слаб и однороден, температурные различия в нем составляют тысячные доли градусов, но и они могут многое сказать нам о состоянии молодой Вселенной. Недаром за открытие анизотропии реликтового излучения несколько лет назад была вручена Нобелевская премия. 
Пенроуз вооружается картой аномалий в реликтовом излучении, составленной по данным американского зонда WMAP и проанализированной вместе с армянским физиком Вахой Гурзадяном (Vahe Gurzadyan). По их словам, в структуре этих аномалий обнаруживаются совершенно определенные концентрические окружности, температура излучения в пределах этих кругов слегка ниже, чем вне их. 
Именно эти круги, по мнению Пенроуза и Гурзадяна, позволяют нам «видеть сквозь Большой Взрыв», являясь следами, оставленные в пределах нашего цикла существования Вселенной гравитационными волнами, которые создали черные дыры, погибшие в конце предыдущего цикла. В любом случае, ученые отмечают, что в рамках инфляционной модели интерпретировать эти циклические окружности пока не представляется возможным, ведь согласно ей все флуктуации температуры реликтового излучения должны распределяться случайным образом. 
Пока трудно сказать, насколько справедливы эти выводы – для начала, как отметил один коллега Пенроуза, нужно убедиться в реальности существования этих окружностей в данных WMAP, а также в том, что они не вызваны какими-нибудь пока невыявленными аберрациями. Если же они действительно имеются, это действительно поставит новую проблему перед инфляционной моделью, сторонникам которой придется в очередной раз как-то выкручиваться.

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 сторонники циклической Вселенной 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) 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. 
Алексей Левин