Главная Астрономия Циклическая модель Вселенной Пола Стейнхардта

Циклическая модель Вселенной Пола Стейнхардта

Сказать, что история повторяется, недостаточно. Иногда это даже смешно. По мнению Пола Стейнхардта и его коллег, Вселенная перезапускает цикл своего развития один раз в триллион лет или около того.

"Сто миллионов лет - это долго, но с космической точки зрения это как завтра", - говорит Стейнхардт.

Пол Стейнхардт предложил модель Вселенной без инфляции

Профессор физики и директор Принстонского центра теоретической науки в соавторстве с Нилом Туроком написал работу под общим названием "Циклическая модель Вселенной". Идея состоит в том, что Вселенная формирует себя снова и снова, разбивая собственную жизнь на продолжительные циклы. Большой взрыв был не началом, а повторяющейся моделью расширения и сжатия.

Сторонники этой модели утверждают, что новое описание мира способно заполнить некоторые пробелы в понимании того, как устроено пространство и время.

Модель Большого взрыва и инфляции

Общепринятое понимание Вселенной таково: Около 14 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв. В первые секунды этого взрыва законы физики, как мы их понимаем, не действовали. Все, что впоследствии станет материей, возникло в считанные мгновения - сначала частицы, такие как электроны и фотоны, а затем нейтроны и протоны, строительные блоки наших атомов.

Ранние семена звезд, планет и галактик распространились из той знаменательной точки во времени и пространстве. Они распределялись таким образом, что Вселенная приобрела «гладкую» форму.

Со времен Большого взрыва Вселенная приобрела более-менее гладкую форму

Читайте Альтернативная Наука на Google News

В космологических масштабах это означает, что вещество во Вселенной относительно равномерно. То есть, если бы вы поставите куб вокруг одного участка Вселенной, он не будет намного плотнее, чем его аналог, расположенный на расстоянии пары десятков галактик от первого. В меньших масштабах, например, между галактиками или внутри солнечной системы, материя "комковатая" и заполнена спонтанно, почти что произвольными скоплениями.

Физики предполагают, что вскоре после Большого взрыва произошло нечто, называемое "инфляцией". По сути, то, что когда-то было крошечной, упакованной Вселенной, быстро расширилось за доли секунды, и продолжает расширяться до сих пор. Инфляция является частью современной стандартной модели Вселенной, называемой моделью Лямбда-холодной темной материи (LCDM). В модели LCDM форма траектории Вселенной на некоторых изображениях напоминает воронку, широкая верхняя часть которой со временем растет и распространяется дальше.

LCDM - общепринятое пояснение начала вселенной

Это одна из интерпретаций. Но есть и другие, возникшие на основе тех же кусочков информации, которые ученые наблюдают и измеряют в реальной жизни - посредством наблюдательной астрономии. Информация из реальной жизни имеет решающее значение для того, чтобы астрофизики и космологи могли использовать математические модели для реальных предсказаний будущего.

"Космология - это своего рода командная работа, нам нужны люди, сосредоточенные на действительно прагматичных и наблюдательных вещах, и нам нужны люди, занимающиеся научной фантастикой", - говорит Леонардо Джиани, постдокторант Квинслендского университета в Австралии, чьи исследования посвящены альтернативным моделям Вселенной.

Что мы знаем наверняка

Теоретическая астрофизика - это всего лишь обоснованные предположения, которые формируются на основе тех немногих вещей, которые мы знаем наверняка. Нечто, называемое космическим микроволновым фоном (CMB), вносит свой вклад в большую часть этой наблюдаемой информации. CMB состоит из следов излучения, оставшегося от ранней фазы Вселенной. Радиотелескопы улавливают его, а затем преобразовывают волны в своеобразную тепловую карту.

Новая тепловая карта вселенной

На самом деле такое изображение не показывает нам, как распределялось содержимое Вселенной примерно через 400 000 лет после Большого взрыва. Все было почти однородно, за исключением крошечных флуктуаций, которые стали материей, формирующей звезды и галактики. Снимок служит доказательством того, что Вселенная начиналась с маленькой «упаковки» и расширилась до сегодняшнего состояния.

Мы также знаем, что Вселенная продолжает расширяться, и даже можем в некоторой степени измерить, насколько быстро она это делает. CMB также служит подтверждением того, что ранняя версия Вселенной была очень горячей, а наша эпоха намного холоднее.

Проблемы с текущей моделью

Стейнхардт говорит, что существует ряд проблем, связанных с инфляционной моделью, которая сама по себе модернизировала предыдущие модели, возникшие на основе теории Большого взрыва. Инфляционная модель должна была объяснить, почему, например, Вселенная кажется такой однородной и без одинаковых начальных условий. Но, говорит Стейнхардт, существует так много возможностей, вытекающих из инфляционной модели, что превращает саму модель в космологическую бесполезность.

Момент сингулярности

Предыдущие модели не исключают ошибочных предсказаний о космосе. Это как если бы я объяснил вам, почему небо голубое, но потом, когда вы посмотрите на мою теорию внимательнее, окажется, что есть красный, зеленый, другие «случайные» тона. Теория не поясняет всей физической реальности.

Затем возникает проблема сингулярности. Теория инфляции, утверждает Стейнхардт, также застревает в точке "до" Большого взрыва, потому что, согласно ей, до него ничего не было. Фундаментальная философская проблема Большого взрыва заключается в том, что есть "после", но нет "до". Мы не знаем и не понимаем, как возникла «история».

Математически Большой взрыв выглядит так, как будто он произошел из неопределенного состояния - чего-то, что не объясняется законами физики в рамках общей теории относительности Эйнштейна. Это и называется "сингулярностью". Для Стейнхардта - но не для всех - это математический эквивалент красного флажка.

"Мы все учили в школе, что если при ответе на вопрос вы получаете единицу больше нуля, то у вас проблемы, потому что это бессмысленный ответ. Вы допустили ошибку".

Связанная с этим проблема заключается в том, что теорию инфляции трудно согласовать с теорией струн и квантовой механикой, говорит Стейнхардт. Если бы эта модель правильно описывала Вселенную, то другие принятые основы физики согласовались бы с ней. Вместо этого они противоречат друг другу.

"Когда кто-то думает о космологии, он часто охватывает области мышления, которые довольно далеки друг от друга, либо со стороны астрологии, либо со стороны фундаментальной физики, они не подходят друг к другу". Циклическая модель, по его словам, решает некоторые противоречия, но не все.

Циклическая модель и ее ответвления

Основные принципы теории таковы:

  • Большой взрыв не был началом времени;
  • существовали предшествующие фазы, с многочисленными циклами сжатия и расширения, которые повторяются бесконечно;
  • ключевой период, определяющий форму нашей Вселенной, был непосредственно перед так называемым биг бумом. Был период медленного сжатия, получивший название «Большое сжатие».

Вместо начала времени, возникшего из ничего, циклическая модель допускает длительный период в «преддверии». Она претендует на решение тех же проблем, что и инфляционная теория, но при этом идет еще дальше.

Существование времени до Большого взрыва устраняет проблему сингулярности - неопределенного числа. Она также использует теорию струн и квантовые флуктуации.

Как и LCDM, циклическая модель учитывает темную энергию - ненаблюдаемую силу, которая, по мнению ученых, стоит за ускоряющимся расширением Вселенной.

Но в модели Стенхардта и Турока все немного больше похоже на научную фантастику: две одинаковые плоскости, или "бран" (в теории струн - объект, который может иметь любое количество измерений), сходятся вместе и расширяются в стороны. Мы можем наблюдать три измерения нашей плоскости, но не дополнительные измерения другой. Темная энергия одновременно является силой, приводящей браны к столкновению.

Происходит расширение самих бранов, и темная энергия снова собирает их вместе, когда они становятся настолько плоскими и гладкими, насколько это возможно.

Согласно другой точке зрения, цикличность в этом описании не работает, поскольку некоторые предположения вышеописанной модели взяты из теории струн.

Теория Роджера Пенроуза

Возможно, более реалистична циклическая модель Роджера Пенроуза, физика-теоретика из Оксфорда, который придумал то, что он сам назвал "возмутительно новым взглядом" на Вселенную.

Роджер Пенроуз - автор альтернативной теории циклического развития вселенной

Согласно теории Пенроуза, в далеком-далеком будущем наша Солнечная система и галактика будут поглощены черными дырами, которые съедят всю остальную массу во Вселенной, а затем, через невообразимое количество времени, будут существовать исключительно черные дыры. В конце концов, останутся только фотоны, которые не имеют массы и, следовательно, энергии или частоты, согласно принятым нами законам физики.

Измерения масштаба, поясняет Пенроуз, на этом этапе уже не действуют, но форма Вселенной остается. В момент Большого взрыва частицы настолько горячи и близки друг к другу, что движутся почти со скоростью света, и теряют свою массу. Таким образом создаются те же условия, что и в холодной, далекой будущей Вселенной. Отдаленное будущее и Большой взрыв становятся одним и тем же.

Опровержение моделей

В конечном счете, то, что люди могут наблюдать, ограничено. Именно поэтому теории Вселенной никогда не бывают полными. Они уравновешивают небольшую часть видимого мира, математическими моделями и теорией, но не более того.

Космологические теории перестраиваются именно потому, что возникающие новые данные противоречат друг другу, а связывающей в одно целое метатеории нет. Да и она не нужна, по большому счету.

По мере быстрого развития наших технологий наблюдения, появляются рабочие гипотезы, подтверждающие или опровергающие ту или иную модель. И не факт, что выиграет циклическая или инфляционная модель. Очень сложно подтвердить теоретические расчеты, если речь идет о неизмеряемых процессах вселенского масштаба.

Из-за того, как распределена материя в самой старой части Вселенной (видимой в CMB), гравитационные волны, которые доходят до нас, могут быть поляризованы на определенной частоте. Вскоре - фактически в течение нескольких лет - ученые смогут определить, существует ли эта поляризация. Если да, тогда подтвердится инфляционную модель. Если же такой поляризации не существует, это подорвет "медленное сжатие", отличительную черту циклической модели.

Хотя на самом деле опровержение или подтверждение такого рода также бессмысленны. Ибо они ничего не объясняют, а также не гарантируют появление третьей, четвертой, пятой научной альтернативы. У нас же нет «телескопа времени», способного заглянуть в предельно далекое прошлое или будущее...