Відскік Всесвіту: противагу Великому Вибуху

Людей завжди захоплювали дві основні теорії про походження Всесвіту. «В одній з них Всесвіт виникає в єдиному моменті творіння (як у юдеохристиянської і бразильської космогонії)», писали космологи Маріо Новелло і Сантьяго Перес-Берглиффа в 2008 році. В іншій — «Всесвіт вічна і складається з нескінченної серії циклів (як в космогонії вавилонян і єгиптян)». Поділ в сучасній космології «якимось чином луною повторює космогонічними міфами», писали космологи.

Може здатися, що особливої протиборства в останні кілька десятиліть не було. Теорія Великого Вибуху, стандартна тема у підручниках і телепередачах, користується сильною підтримкою у сучасних космологів. Картина вічного всесвіту була краще близько сотні років тому, але втратила підтримку, коли астрономи побачили, що космос розширюється і що він був маленьким і простим 14 мільярдів років тому. У самої популярної сучасної версії цієї теорії Великий Вибух почався з так званої «космічної інфляції» — сплеску експоненціального розширення, в ході якого нескінченно малий шматочок простору-часу роздувся в величезний, плоский, макроскопічний космос, який з тих пір продовжував розширюватися.

Сьогодні, використовуючи один вихідний інгредієнт (инфлатонное поле), інфляційні моделі відтворюють багато відомі деталі космосу. Але в якості історії походження теорія інфляції програє у чому: незрозуміло, що їй передувало і було до. Багато теоретики вважають, що инфлатонное поле повинне природно вписуватися в більш повну, хоч і поки невідому, теорію походження часу.

За останні кілька років все більше космологів стали обережно переглядати альтернативу. Кажуть, що Великий Вибух міг бути… Великим Відскоком. Деякі космологи вважають за краще бачити картину, в якій Всесвіт розширюється і циклічно стискається немов легке, відскакуючи всякий раз, коли стискається до визначеного розміру; інші ж припускають, що космос відскочив лише раз — і що він стискався до відскоку протягом нескінченно довгого часу і буде розширюватися безкінечно довго після цього. У будь-якій моделі час продовжує текти в минуле і майбутнє без кінця.

З сучасною наукою є надія вирішити цю давню дискусію. У найближчі роки телескопи повинні знайти переконливі докази космічної інфляції. Під час першого буйного зростання — якщо він був — квантова брижі на тканині простору-часу повинна була розтягнутися і віддрукуватися у вигляді невеликих завихрень в поляризації стародавнього світу — космічного мікрохвильового фону. Експерименти за участю сучасних і майбутніх телескопів шукають ці завихрення. Якщо їх не знайдуть за наступні кілька десятиліть, це не буде означати, що теорія інфляції невірна (зрештою, ці завихрення можуть занадто тьмяним), але зате зміцнить позиції космології відскоку, по якій цих завихрень не повинно бути.

Кілька груп вчених одночасно домоглися вражаючого прогресу. У минулому році фізики визначили два нових варіанти можливого відскоку. Одна з моделей, описана в роботі, що з’явилася в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, була представлена Ганною Идджас з Колумбійського університету, в продовження її попередньої роботи спільно з космологом Підлогою Штейнхардтом. Несподівано, але інше нове рішення з відскоком, прийнята до публікації в Physical Review D, було запропоновано Пітером Гремом, Капланом і Девідом Сурджитом Рахендраном, добре відомої трійкою вчених, які займалися більше питаннями фізики частинок і не мали відношення до спільноти космологів відскоку.

Взагалі, це питання набуло нового значення у 2001 році, коли Штейнхардт і ще три космолога заявили, що період повільного стиску в історії Всесвіту може пояснити її виняткову гладкість і площина, які ми спостерігаємо сьогодні, навіть після відскоку — без необхідності підключати інфляцію.

Бездоганна простота всесвіту, той факт, що жодна область неба не містить більше матерії, ніж будь-яка інша, і що простір настільки плоске, наскільки можуть бачити телескопи, — все це дивно і незрозуміло. Щоб космос був настільки однорідним, яким він є, експерти вважають, що коли космос був сантиметр в поперечнику, він повинен був мати однакову щільність усюди в межах однієї частини на 100 000. Але по мірі зростання невеликих розмірів, матерія і енергія повинні були негайно комковаться і спотворювати простір-час. Чому ж наші телескопи не бачать всесвіт, зруйновану гравітацією?

«Інфляція вийшла з ідеї того, що гладкість і площину всесвіту — це божевілля», говорить космолог Ніл Турок, директор Інституту теоретичний фізики Периметра у Ватерлоо, Онтаріо, і співавтор роботи 2001 року на тему космічного стиснення, написаної Штейнхардтом, Джастіном Хоури і Бертом Оврутом. За сценарієм інфляції, регіон розміром з сантиметр вийшов у процесі інфляційного розширення ще меншого регіону — невеликого плями розміром не більше однієї трильйонної від трильйонної частки сантиметра. Розтягуючись в плоскому і гладкому инфлатонном полі, це плямочка не повинно було проходити через сильні флуктуації простору і часу і розтягнулося у велику і гладку всесвіт кшталт нашої. Раман Сундрум, фізик-теоретик з Університету Меріленда, сказав, що в інфляції йому подобається «вбудована відмовостійкість». Якщо в процесі фази вибухового зростання і було нагромадження енергії, що спотворювало простір-час у певному місці, ця концентрація повинна була швидко розширитися.

Однак звідки конкретно прийшло це неймовірно маленьке плямочка і чому воно було таким гладким і плоским, ніхто не знає. Теоретики знайшли багато можливих варіантів включити инфлатонное поле в теорію струн, на основі якої може бути створена квантова теорія гравітації. Але поки немає фактів ні за, ні проти цих ідей.

Космічна інфляція також має спірне слідство. Теорія, представлена в 1980-х роках Аланом Гутом, Андрієм Лінде, Олексієм Старобинским і Штейнхардтом, майже автоматично призводить до гіпотези про те, що наш Всесвіт — це випадковий міхур в нескінченному морі мультивселенных. Як тільки інфляція починається, розрахунки показують, що вона буде тривати вічно і зупинятися тільки місцями, в «кишеньках», в яких потім будуть розквітати всесвіти по типу нашої. Можливість вічно розширюється в процесі інфляції мультивселенной підказує, що конкретно наш міхур може назавжди залишитися незрозумілим, оскільки все можливе відбувалося в мультивселенной нескінченну безліч разів. Зрозуміло, такий висновок викликає блювотний позив у експертів. Складно уявити, що наш всесвіт може бути лише одна з безлічі. Штейнхардт і сам назвав цю ідею «нісенітницею».

Це відношення частково мотивувало його та інших дослідників зайнятися відскоками. «В моделі відскоку немає періоду інфляції», говорить Турок. Замість цього вони додали період стиснення перед Великим Вибухом, що пояснює нашу однорідну всесвіт. «Газ у вашій кімнаті повністю однорідний, тому що молекули повітря зіткнулися і перемішалися, так і Всесвіт була великою і повільно стиснулася, що дало їй час разгладиться».

Хоча перші моделі стискуваної Всесвіту були заплутаними і неточними, багато вчені переконалися в основній ідеї: що повільне зменшення може пояснити багато особливості нашої розширюється Всесвіту. «І тоді вузьким пляшковим горлечком став відскік. Люди зійшлися на думці, що перейти у фазу стиснення досить цікаво, але не в тому випадку, якщо ви не можете перейти в фазу розширення».

Стрибок — це непросто. У 1960-х роках британські фізики Роджер Пенроуз і Стівен Хокінг довели набір так званих «теорем про сингулярності», показують, що в дуже загальних умовах стиснення матерії і енергії неминуче обернеться незмірно щільною точкою — сингулярністю. Ці теореми насилу можуть вмістити уявлення, як стискається всесвіт, в якій матерія, простір-час і енергія згортаються всередину, уникає колапсу до сингулярності — в якій класична теорія гравітації і простору-часу Альберта Ейнштейна перестає функціонувати і в якій починають працювати правила квантової гравітації. Чому всесвіт стискається зможе уникнути долі масивної зірки, яка помирає, стискаючись в точку, і стає чорною дірою?

Обидві запропоновані моделі відскоку використовують прогалини в теоремах про сингулярності — ті, які багато років здавалися тупиковими. Космологи відскоку давно визнали, що відскоки можуть бути можливими, якби всесвіт містила речовина з негативною енергією (або інші джерела негативного тиску), яке б запобігало гравітації і відштовхувало б усі. Вчені намагалися використати цю лазівку з початку 2000-х років, але завжди приходили до того, що додавання інгредієнтів з негативною енергією робить їх моделі всесвіту нестабільними, тому що квантові флуктуації позитивної і негативної енергії можуть спонтанно народжуватися в вакуумі космосу з нульовою енергією. У 2016 році російський космолог Валерій Рубаков і його колеги навіть довели теорему, яка виключила великий клас механізмів відскоку.

Потім Идджас знайшла механізм відскоку, який може обійти і це виняток. Ключовий інгредієнт у її моделі — проста сутність, «скалярний поле», яке, по ідеї, могла вступити в гру, коли всесвіт стискалася і енергія ставала висококонцентрованою. Скалярний поле могло сховати себе в гравітаційному полі таким чином, щоб чинити негативний тиск на всесвіт, перешкоджаючи стиску і розтягуючи простір-час. Робота Идджас — «краща спроба приборкати всі можливі нестабільності і створити по-справжньому стабільну модель з цим особливим типом речовини», говорить Жан-Люк Лейнерс, космолог-теоретик з Інституту гравітаційної фізики Макса Планка в Німеччині, який також працював над варіаціями відскоку.

Грем, Каплан і Рахендран представили свою ідею не-сингулярного відскоку в препринте на сайті arxiv.org у вересні 2017 року. Свою роботу вони почали з питання про те, чи могла попередня фаза стиснення в історії всесвіту пояснити значення космологічної постійної — разюче невеликого числа, яке визначає кількість темної енергії, вшитою в тканину простору-часу, енергії, яка підштовхує розширення всесвіту прискорюється.

Працюючи над найскладнішою частиною — відскоком — трійка вчених використовувала другу, значною мірою забуту лазівку в теоремах сингулярності. Вони черпали натхнення з дивною моделі всесвіту, запропонованої логіком Куртом Геделем в 1949 році, коли він разом з Ейнштейном працював в Інституті перспективних досліджень у Прінстоні. Гедель використовував законами загальної теорії відносності для створення теорії обертається всесвіту, обертання якої утримував її від гравітаційного колапсу точно так само, як орбіта Землі не дає їй впасти на Сонце. Гедель особливо підкреслював той факт, що його обертається всесвіт допускала «закриті времениподобные криві», тобто по суті петлі часу. До самої смерті він вважав, що всесвіт обертається в точності як припускає його модель. Сьогодні вчені знають, що це не так; в іншому разі одні напрямки і впорядкованості в космосі були б краще інших. Але Грем і компанія задумалися про невеликих, закручених просторових вимірах, які можуть існувати в космосі, начебто шести додаткових вимірювань, постулируемых теорією струн. Може стискати всесвіт обертатися в цих напрямках?

Уявіть собі, що є тільки одне з цих скручених додаткових вимірювань, крихітний коло в кожній точці простору. Як говорить Грем, «в кожній точці простору є додатковий напрямок, в якому ви можете рухатися, четверте просторовий вимір, але ви можете пройти лише невелику дистанцію і повернетеся в те місце, з якого починали рух». Якщо ж компактних додаткових вимірів буде як мінімум три, то по мірі стиснення всесвіту речовина і енергія можуть почати крутитися в них, і самі вимірювання будуть крутитися з матерією і енергією. Обертання в додаткових вимірах може раптово ініціювати відскік. «Все це речовина, яке повинно було стиснутися в сингулярність, з-за обертання в додаткових вимірах не потрапить туди», говорить Грем. «Все це речовина повинно було стиснутися в одній точці, але замість цього вона полетить геть».

Робота вчених привернула увагу людей за межею звичайного кола космологів відскоку. Шон Керролл, фізик-теоретик з Каліфорнійського технологічного інституту, ставиться до неї скептично, але називає саму ідею «дуже розумною». Він вважає, що важливо розробляти альтернативи традиційної історії інфляції, щоб зрозуміти, наскільки краще теорія інфляції буде виглядати в порівнянні — особливо коли будуть запущені телескопи нового покоління. Він також вважає, що якщо у альтернативної теорії буде хоча б 5% шансу на успіх, її варто перевірити. І ця робота — не виняток.