«Мы можем представить себе цикличную вселенную без начала и конца. Каждый цикл сверхмедленного сжатия стирает все детали предыдущего цикла и приводит Вселенную к точке отскока при тех же условиях, что и предыдущий цикл».
Возможно, так называемого Большого взрыва вообще не существует, а есть Вселенная без начала и конца, с бесконечными циклами расширения и сжатия.
В 1920-х годах русский физик Александр Фридман и бельгийский священник и астроном Жорж Леметр предположили, что Вселенная расширяется. Фридман пришел к выводу, что Вселенная когда-то была крошечным «первичным атомом».
Вопрос казался решенным, когда Эдвин Хаббл предоставил убедительные доказательства расширения Вселенной, основанные на его наблюдениях за движением далеких галактик. Теория инфляции показывает, что огромная холодная Вселенная, которую мы видим сегодня, когда-то была крошечным горячим пространством. Если рассуждать по этой логике, горячее пространство сжимается до точки, в которой концентрируется огромная энергия.
Это идеализированное состояние называется Большим Взрывом. Однако нет никаких доказательств, подтверждающих правильность этого логического вывода, и нет способа доказать, что Вселенная родилась таким образом. Несмотря на это, теория Большого взрыва стала признанной теорией, глубоко укоренившейся в умах людей.
Одной из причин сомнений в этом логическом выводе является существование квантовой механики. К тому времени, когда концепция Большого Взрыва вошла в повседневный разговор, правила микроскопического мира уже были ясны, хотя и странны. Помимо прочего, правила гласят, что частицы могут появляться и исчезать из воздуха на короткие промежутки времени. Этот непрерывный поток создания и уничтожения особенно важен на микромасштабах, таких как Большой взрыв, когда Вселенная имела размер всего лишь точки.
Вне зависимости от того, что находится в этом пространстве, энергия всегда будет испытывать беспорядочные флуктуации. По мере увеличения размеров пространства эти различия должны становиться всё более выраженными, что приводит к крайне неравномерному распределению энергии в различных областях Вселенной. Однако на практике мы не наблюдаем такого дисбаланса.
Хотя материя во Вселенной самопроизвольно объединяется в то, что мы называем галактиками, когда мы наблюдаем огромные масштабы Вселенной, распределение материи необычайно однородно. Это единообразие требует объяснения. Более того, эти квантовые флуктуации Большого Взрыва должны вызвать искривление пространства. По мере расширения Вселенной эти изгибы расширяются вместе с ней, оставляя сумасшедшие изгибы на пути проходящих через нее световых лучей. Но астрономы не заметили никаких признаков этих искажений.
В 1980-х годах физики-теоретики Алан Гут, Андре Линде, Андреас Альбрехт и Пол Стейнхардт предложили метод, направленный на устранение недостатков теории Большого взрыва. Они выдвинули гипотезу, что вскоре после Большого взрыва Вселенная пережила период чрезвычайно быстрого расширения, известный как фаза инфляции. Они полагают, что расширение достаточно быстрое, чтобы сгладить любые изгибы и повороты в структуре пространства-времени, делая распределение материи чрезвычайно плавным.
Однако у инфляции есть свои трудности. Например, для объяснения гладкости Вселенной потребуется постулировать существование энергетического поля, называемого инфляционным полем, которое должно включаться в нужное время и с нужной силой — и оставаться практически неизменным с течением времени. В теории Большого взрыва этот сценарий невозможен, поскольку сила инфляционного поля будет различаться в разных регионах пространства из-за гигантских квантовых флуктуаций. Следовательно, более вероятно, что инфляция не смогла сгладить Вселенную или не расширилась достаточно, чтобы сформировать наблюдаемую нами Вселенную.
Что еще более важно, там, где существует инфляция, доминируют эти хитрые квантовые флуктуации, не позволяющие ей прекратиться, за некоторыми редкими исключениями. В этих регионах свойства Вселенной становятся случайными и непредсказуемыми. То, что мы видим, — это не однородная Вселенная, а результат расширения, разделяющего пространство на бесконечное количество областей, каждая из которых имеет бесконечно разные свойства. Это неконтролируемое разнообразие называется расширенной мультивселенной, где возможно любое количество различных вселенных.
«Текущая фаза расширения Вселенной закончится, после чего наступит новая фаза сжатия».
Сегодня большинство космологов и астрофизиков склонны игнорировать эти вопросы. Однако для тех ученых, которые осведомлены об этих проблемах, их нельзя игнорировать. Первоначально они искали решение проблемы раздувания, но ряд последующих событий изменили их мнение.
Так, обсерватория Саймонса, расположенная в пустыне Атакама, будет заниматься поиском первичных гравитационных волн.
Поразительным предсказанием инфляционной космологии являются микроскопические неоднородности пространства-времени, вызванные флуктуациями квантового масштаба. Эти неоднородности, как только процесс расширения завершится, должны остаться в структуре пространства-времени, в конечном итоге эволюционируя в то, что мы называем странной структурой первичных гравитационных волн.
Эти первичные гравитационные волны отличаются от пространственно-временных флуктуаций, обнаруженных научным сотрудничеством LIGO в 2015 году, большинство из которых возникают в результате ударов черных дыр. Длины волн первичных гравитационных волн невероятно велики — настолько велики, что мы можем обнаружить их только по их отпечатку на космическом микроволновом фоновом излучении.
Эту диаграмму направленности иногда сравнивают со снимком младенчества Вселенной, хотя она показывает вид Вселенной, существовавший миллионы лет назад, который, по сравнению с человеческой жизнью, подобен изображению новорожденного ребенка.
Отскок.
Детектор "Планк" Европейского космического агентства уже давно работает над детальным картированием космического микроволнового фонового излучения, надеясь уловить признаки первичных гравитационных волн. Однако к 2013 году исследовательская группа объявила, что им не удалось обнаружить ожидаемые признаки. Эта новость появилась, когда научное сообщество осознало, что это означает, что простейшие теоретические модели расширения Вселенной больше несостоятельны. Некоторые ученые начинают верить, что инфляция теряет свою привлекательность как упрощенное объяснение событий после Большого взрыва, и начинают рассматривать альтернативные космологические пути.
Эта идея, принятая Анной Ияс, была впервые развита Стейнхардтом, предложившим теорию инфляции. Он предположил, что помимо Большого взрыва существует еще одна разумная возможность образования Вселенной. Другими словами, наша Вселенная, возможно, возникла не с нуля, а, возможно, испытала отскок после того, как предыдущая Вселенная медленно сжалась до очень малого масштаба, тем самым начав процесс расширения, как мы сейчас наблюдаем.
Привлекательность этого сценария заключается в том, что он описывает фазу медленного сокращения, которая предшествует отскоку. Точно так же, как расширение требует особой формы энергии — поля расширения — для быстрого расширения, медленное сжатие также требует особой формы энергии, которая создает чрезвычайно высокое давление. Эта среда высокого давления замедляет процесс сжатия, сопротивляясь сжатию, а также помогает сгладить любые неровности в распределении энергии и структуре пространства-времени. Однако, в отличие от фазы расширения, фаза медленного сжатия не требует особых начальных условий. Это может быть вызвано разными способами, например, распадом темной энергии.
Теория также предлагает еще одно преимущество: в медленно сжимающейся холодной Вселенной эффекты квантовых флуктуаций в любой момент времени будут незначительными. Это означает, что результаты отскоков детерминированы, в отличие от хаотичной мультивселенной, созданной сильными квантовыми флуктуациями в период инфляции.
В настоящее время недостаточно доказательств того, что восстановление этих свойств действительно возможно. В прошлом году Анна Ияс опубликовала первое теоретическое описание того, как происходит отскок. Короче говоря, она описывает гипотетический источник энергии, который мог бы остановить сжатие Вселенной и плавно обратить вспять ее расширение, прежде чем она достигнет критической точки, когда квантовые гравитационные эффекты станут важными. Такой отскок создал бы Вселенную с плавным распределением энергии, которое мы наблюдаем, и плоской, неискаженной геометрией пространства-времени.
«Мы, вероятно, живем в циклической Вселенной, в которой происходят повторения примерно каждые 100 миллиардов лет».
Анна Иджас вместе со Стейнхардтом и Франсом Преториусом из Принстонского университета смоделировали эволюцию Вселенной, чтобы найти новые и уникальные особенности в процессах сжатия и отскока. Одно из предсказаний заключалось в том, что сверхмедленный процесс сжатия не будет производить обнаруживаемые первичные гравитационные волны, что согласуется с данными Планка и последующими наблюдениями.
В стадии строительства находится более сложное экспериментальное оборудование, в том числе обсерватория Саймонса в чилийской пустыне Атакама и спутник LiteBIRD, который Японское космическое агентство планирует запустить в течение десяти лет. Если они обнаружат первичные гравитационные волны, теория медленного сжатия может быть фальсифицирована. Иджаса часто спрашивают, не боится ли он, что теория будет опровергнута одним-единственным экспериментом. Но для Иджаса именно здесь и заключается истинный дух науки.
Однако если мы действительно обнаружим признаки восстановления, последствия будут далеко идущими. Естественным продолжением этой теории является то, что мы можем жить в циклической Вселенной, испытывающей отскоки примерно каждые 100 миллиардов лет.
Мы можем представить себе цикличную вселенную без начала и конца. Каждый цикл сверхмедленного сжатия стирает все детали предыдущего цикла и приводит Вселенную к точке отскока при тех же условиях, что и предыдущий цикл. Таким образом, каждый аспект Вселенной остается в среднем постоянным в течение каждого цикла, включая температуру, концентрацию темной материи, обычной материи и темной энергии, а также количество наблюдаемых объектов, таких как звезды и галактики. Другими словами, если бы вы жили на такой планете, как Земля, во время предыдущего космического цикла, основные свойства наблюдаемой вами Вселенной были бы очень похожи на нашу нынешнюю Вселенную.
Это, в свою очередь, приводит к убедительному предсказанию: нынешняя фаза медленного ускорения расширения Вселенной закончится, а затем наступит совершенно новая фаза сжатия. Тогда Вселенная двинется к новому отскоку и новой фазе расширения. Следовательно, темная энергия, движущая нынешнее ускоряющееся расширение, должна постепенно ослабевать и исчезать, и этот процесс может быть обнаружен в будущих экспериментах.
Это, в сочетании с поиском первичных гравитационных волн, означает, что вскоре мы сможем определить, действительно ли Вселенная началась с Большого взрыва.
Спасибо, что дочитали до конца!
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе всех событий и расширить свои знания о нашей невероятной Вселенной! 🌌🚀