Главная Астрономия Конформная циклическая космология Роджера Пенроуза

Конформная циклическая космология Роджера Пенроуза

"Последняя звезда медленно остынет и угаснет. С ее уходом Вселенная снова станет пустотой, без света, жизни и смысла".

Таково предупреждение физика Брайана Кокса в сериале BBC "Вселенная". Угасание последней звезды - начало бесконечно долгой темной эпохи. Вся материя в конце концов будет поглощена черными дырами, которые, в свою очередь, испарятся в тусклые проблески света.

В результате пространство расширится еще дальше, пока остатки тусклого света не превратятся в разрозненный кусочки того, что условно можно назвать «постматерией», слишком слабые для взаимодействия и поддержания какой-либо структуры. Наступит смерть в космологическом масштабе.

Впрочем, некоторые космологи считают, что предыдущая холодная, темная и уставшая от жизни пустая Вселенная, подобная той, что ожидает в нас далеком будущем, могла стаь источником Большого взрыва.

Первая материя

Давайте посмотрим, как впервые появилась "материя" - физическая материя, которую мы сейчас dblbv и даже — отдаленно - измеряем.

Если мы хотим объяснить происхождение стабильной материи, состоящей из атомов или молекул, то сразу оговоримся: во время Большого взрыва и в течение последующих сотен тысяч лет ничего подобного не было.

Мы вроде бы знаем, как из более простых частиц образовались атомы, какова роль охлажденной вселенной, как появилась и устоялась сложная материя, а главное, - как эти атомы соединились более тяжелые элементы внутри звезд. Но это понимание не решает вопроса: из чего все? Верней: как все появилось из ничего?

Первыми долгоживущими частицами материи были протоны и нейтроны, которые вместе составляют атомное ядро. Они появились примерно через одну десятитысячную секунды после Большого взрыва. До этого момента не существовало никакой материи в привычном понимании этого слова. Но физика позволяет нам прослежить хронологию в обратном направлении - к процессам, которые предшествовали возникновению любой стабильной материи.

Речь идет о "великой единой эпохе". В этот момент мы находимся в области спекулятивной физики, поскольку в наших экспериментах мы не можем получить достаточно энергии, чтобы воссоздать время до возникновения времени.

Общепринятая гипотеза утверждает, что физический мир состоял из супа короткоживущих элементарных частиц, включая кварки, строительные блоки протонов и нейтронов. Что-то вроде одномоментной «колаборации» материи и "антиматерии" в примерно равных пропорциях: у каждого типа части есть "зеркальное отражение" антиматерии, которое почти идентично «компаньону». Однако материя и антиматерия при встрече аннигилируют, при этом выделяется огромное количество энергии. Иначе говоря, эти частицы постоянно создавались и уничтожались.

Но как эти частицы вообще появились? Квантовая теория поля говорит нам, что даже вакуум, якобы соответствующий пустому пространству, полон физической активности в виде флуктуаций энергии. Эти флуктуации могут привести к появлению частиц, которые вскоре после этого исчезают. Математическая причуда, а не реальная физика. Однако такие частицы были замечены в бесчисленных экспериментах.

Вакуумное состояние материи. Что было до Большого Взрыва

Вакуумное состояние пространства-времени кипит частицами, которые постоянно создаются и разрушаются, казалось бы, "из ничего". Но, возможно, все это говорит нам о том, что квантовый вакуум (несмотря на его название) - это нечто, а не ничто.

Вопрос: откуда возникло само пространственное время? Можем ли мы перевести часы еще дальше назад, в действительно древнюю "эпоху Планка" — период, настолько ранний в истории Вселенной, что он нивелирует все наши теории.

Считается, что эта эпоха наступила через одну десятимиллионную долю триллионной доли триллионной доли триллионной доли секунды после Большого взрыва. В этот момент пространство и время сами стали подвержены квантовым флуктуациям.

Физики обычно работают отдельно с квантовой механикой, которая поясняет микромир частиц, и с общей теорией относительности, применяемой для характеристики макрокосмических процессов.

Но чтобы по-настоящему понять эпоху Планка, нам нужна полная теория квантовой гравитации, объединяющая эти два направления.

У нас до сих пор нет совершенной теории квантовой гравитации, но есть попытки - например, теория струн и петлевая квантовая гравитация. В этих спекулятивных рассуждениях пространство и время рассматриваются как эмерджентные явления, волны на поверхности глубокого океана.

То, что мы ощущаем как пространство и время, является продуктом квантовых процессов, действующих на более глубоком, микроскопическом уровне - процессов, которые не имеют особого смысла для нас как существ, укорененных в макроскопическом мире.

В эпоху Планка наше обычное понимание пространства и времени разрушается, мы больше не можем полагаться на стандартные причины и следствия. Проблема в том, что все теории квантовой гравитации описывают нечто физическое, что происходило в эпоху Планка - некий квантовый предшественник обычного пространства и времени. Справедливо?

Даже если причинность больше не действует обычным образом, физики все равно ищут объяснение одного компонента с точки зрения другого.

Ученые, вследствие академической кафедральной традиции никогда не признают, казалось бы, очевидной вещи: ответов на эти вопросы нет. Как и на большинство других.

Кроме того, в академической науке методологически размыты категории «гипотеза», «предположение» и «теория». На практике они не ранжируются, особенно при построении математических моделей или даже в математической физике в целом.

Выходом кажется поступательное движение в создании "теории всего". Иначе мы не сможем дать никакого определенного ответа. Кроме того, что экспериментальная физика пока не нашла ни одного подтвержденного случая возникновения чего-то из ничего.

Иной вопрос: а возможна ли «теория всего» в принципе? Вот тут уж действительно сломаешь все копья в бесконечных академических баталиях!

Циклы из ничего

Для того, чтобы по-настоящему ответить на этот вопрос, необходимо объяснить квантовое состояние всей Вселенной в начале планковской эпохи.

И как раз здесь мы абсолютно бессильны. Некоторые исследователи апеллируют к сверхъестественным силам, таким как «великий дизайнер». Другие теоретики возводят мультивселенную, которая содержит бесконечное число параллельных вселенных. Третьи аналитики конструируют циклические модели Вселенной, умирающие и возрождающиеся вновь.

Лауреат Нобелевской премии 2020 года физик Роджер Пенроуз предложил одну интригующую модель, получившую название "конформная циклическая космология".

Роджер пенроуз, Нобелевский лауреат по физике 2020 года

Пенроуз был вдохновлен интересной математической связью между очень горячим, плотным, малым состоянием Вселенной - такой, какой она была во время Большого взрыва - и чрезвычайно холодным, пустым, расширенным состоянием — именно такой, какой она будет в далеком будущем.

Его радикальная теория, объясняющая состояние между «интеhгрячей» и «ультрахолодной» стадиями жизни Вселенной, заключается в том, что все ее проявления становятся математически идентичными, если довести их до предела.

Как бы парадоксально это ни казалось, но полное отсутствие материи означает ренессанс Вселенной. В самом широком смысле этого слова.

Согласно предложенной логике, Большой взрыв возник почти из ничего. То, что осталось после поглощения материи черными дырами, затерялось в пустоте.Вселенная возникает из приближенного к Ничто. Но это «ничто» и есть физическая вселенная, пусть даже и пустая.

Получается, мы имеем дело с некими протосостоянием, которое отвечает «холодной» пустой и одновременно горячей плотной вселенной. Ответ кроется в сложной математической процедуре под названием "конформное изменение масштаба" - геометрическом преобразовании, которое, по сути, изменяет размер объекта, но оставляет его форму неизменной.

Пенроуз показал, как холодное и горячее плотные состояния могут быть связаны с помощью такого преобразования, так что они совпадают по форме своих пространств - но не по размерам.

Признаться, трудно понять, как два объекта могут быть идентифицированы таким образом, когда они имеют разные размеры - но Пенроуз уверен, что размер как понятие перестает иметь смысл в таких экстремальных физических средах.

В конформной циклической космологии направление объяснения идет от старого и холодного к молодому и горячему: горячее плотное состояние существует благодаря холодному пустому состоянию.

Но это "благодаря" не является причиной, за которой во времени следует ее следствие. В гипотетических экстремальных состояниях не только размер перестает иметь вдияние: время тоже. Холодное плотное состояние и горячее плотное состояние фактически сосуществуют на разных временных линиях. Холодное продолжается вечно с точки зрения наблюдателя в его временной геометрии, но горячее обитает на новой, порожденной холодным состоянием, временной линии.

Означает ли это теоретическую возможность существования мультивселенной? Вопрос.

Экспериментальное доказательство

Другой вопрос: откуда взялся Большой взрыв? Даже если теория Пенроуза будет подтверждена развитием космологии, мы все равно не ответим на более глубокий философский вопрос - откуда взялась сама физическая реальность. Как возникла вся система циклов? В конце концов, мы приходим к чистому вопросу: почему существует нечто, а не ничто?

Есть три широких объяснения, как начались циклы. Это может вообще не иметь физического объяснения. Или могут существовать бесконечно повторяющиеся циклы, каждый из которых является отдельной вселенной, а начальное квантовое состояние каждой вселенной объясняется некоторыми особенностями предыдущей вселенной.

Или может быть один единственный цикл и одна единственная повторяющаяся вселенная, причем начало этого цикла объясняется некоторыми особенностями конца мира.

В любом случае Ничто не останется необъяснимым с точки зрения физики.

Циклическая модель Вселенной. Как вариант

Пенроуз отстаивает идею последовательности бесконечных новых циклов. Логика такова: в квантовой механике физическая система проявляется в суперпозиции множества различных состояний одновременно, и только "одно" выбирается случайным образом, когда мы его измеряем.

По мнению Пенроуза, в каждом цикле случайные квантовые события происходят по-разному - это означает, что каждый цикл будет отличаться от предыдущего и последующего.

На самом деле это хорошая новость для физиков-экспериментаторов, поскольку она может позволить нам заглянуть в старую Вселенную, которая породила нашу, через слабые следы, или аномалии, оставшиеся после Большого взрыва.

 

Бесконечные новые циклы являются ключом. Существует естественный способ преобразовать конформную космологию из многоцикловой в одноцикловую форму. Тогда физическая реальность будет циклически повторяться через Большой взрыв к максимально пустому состоянию далекого будущего, а затем снова возвращаться к Большому взрыву, порождая ту же самую Вселенную заново.

Параллельные миры с точки зрения квантовой механики

Такой подход согласуется с «многомирной интерпретацией» квантовой механики. Она говорит нам, что каждый раз, когда мы измеряем систему, находящуюся в суперпозиции, само измерение не выбирает состояние случайным образом.

Результат измерения является лишь одной из возможностей - той, которая разыгрывается в нашей видимой вселенной.

Все остальные результаты измерений воспроизводятся в других вселенных, отрезанных от нашей. Поэтому неважно, насколько мала вероятность того, что что-то произойдет, ибо есть ненулевая вероятность, а значит она возможна в квантово параллельном мире.

Некоторые считают, что такие параллельные вселенные наблюдаются и в космологических данных, как отпечатки, вызванные столкновением с другими метамирами.

Квантовая многомирная теория оживляет конформную циклическую космологию, хотя Пенроуз с ней не согласен. Наш Большой взрыв может быть возрождением одной единственной квантовой мультивселенной, содержащей бесконечно много различных вселенных, происходящих вместе. Все повторяется снова и снова.