Книга Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Тем не менее, как и в случае с инфляцией, многие теоретические вопросы все еще не решены. Самый важный из них сводится к тому, что именно происходит во время отскока. Возникает ли истинная сингулярность? Или отскок не предполагает достижения максимальной плотности, что позволяет допустить возможность сохранения части информации и ее перехода на следующий цикл? Последняя версия модели предполагает очень незначительное сжатие, так что ничего похожего на сингулярность в ней не возникает. Вместо столкновения бран в этой модели предусмотрено сжатие, обусловленное скалярным полем, которое напоминает поле Хиггса или то, что, по нашему мнению, могло вызвать инфляцию. Эта модель предполагает заманчивую возможность передачи информации на следующий цикл, а также нашу принципиальную способность когда-нибудь обнаружить соответствующие доказательства.

Что подводит нас к вопросу о данных наблюдений. Поскольку и теория инфляции, и экпиротическая модель разрабатывались для решения одних и тех же космологических проблем, чтобы подтвердить или исключить любую из них, нам, вероятно, придется постараться. Все, что мы наблюдали в космосе до сих пор, кажется совместимым со стандартной инфляционной моделью, но мы не находили неопровержимых доказательств ее правильности. Однако мы также не видели ничего, что доказывало бы или опровергало экпиротический сценарий. На протяжении многих лет ученые спорят по поводу теоретического превосходства циклических моделей над инфляционными, но что касается наблюдений, вопрос остается открытым. И для его окончательного разрешения нам бы очень пригодились однозначные доказательства.

Самой многообещающей идеей может оказаться поиск свидетельств существования первичных гравитационных волн – крупномасштабной ряби в пространстве, которая возникла не в результате слияния черных дыр или нейтронных звезд, а еще в инфляционную эпоху, когда квантовые флуктуации в инфлатонном поле заложили первые семена структуры космического пространства. Их обнаружение послужило бы самым неопровержимым доказательством теории инфляции из всех возможных. В 2014 году участники космологического сообщества ненадолго загорелись энтузиазмом, когда руководители эксперимента под названием BICEP2[76] объявили, что нашли именно такие доказательства. В ходе исследования поляризации реликтового излучения они обнаружили закручивающийся узор, который могли оставить только гравитационные волны, искривлявшие пространство в эпоху первородного пламени. Это открытие считалось таким революционным, что получение Нобелевской премии за него было практически гарантировано. В конце концов, даже если оставить в стороне последствия для теории инфляции, эти результаты представляли собой неопровержимые доказательства существования гравитационных волн (полученные более чем за год до того, как обсерватория LIGO зафиксировала столкновение черных дыр), а благодаря связи с квантовыми флуктуациями они также были первым доказательством квантовой природы гравитации.

Но позднее выяснилось, что это не верно.

Спустя несколько месяцев физики и астрономы, не участвовавшие в экспериментах BICEP2, независимо друг от друга проанализировали данные и пришли к выводу, что обнаруженный узор можно полностью объяснить чем-то гораздо более приземленным: обычной космической пылью, наполняющей пространство галактики Млечный Путь. Если бы первичные гравитационные волны удалось обнаружить, они послужили бы доказательством против экпиротической модели, которая не предусматривает инфляционное «космотрясение», способное их породить. К сожалению, их не обнаружили, что отбросило нас на исходную позицию. Несмотря на то что теория инфляции предсказывает существование первичных гравитационных волн, она не говорит о том, что они должны быть обнаруживаемы. Самые популярные модели инфляции предполагают существование достаточно мощных гравитационных волн, однако вполне возможно представить модель, предусматривающую очень слабый сигнал, который нельзя отличить от помех, вызываемых космической пылью[77]. Правда, то, что пыль стоит у нас на пути, в принципе не доказывает и не опровергает факт существования данного сигнала.

Тем не менее подсказки можно получить и из других источников. Мы можем доказать или опровергнуть существование бран в ходе поисков дополнительных измерений или наконец обнаружить намеки на первичные гравитационные волны. Даже обычные гравитационные волны могут дать нам некоторые подсказки, демонстрируя прохождение сигнала сквозь балк (с помощью или без помощи инопланетян)[78] или помогая нам исследовать структуру пространства-времени путем наблюдения за тем, как оно колышется. Согласно некоторым исследованиям, данные наблюдений за столкновениями черных дыр уже поставили под сомнение теории, предполагающие утечку гравитации в пустоту многомерного пространства. До сих пор результаты всех наших замеров соответствовали простой и скучной картине Вселенной, имеющей лишь три пространственных измерения.

Независимо от того, найдем мы дополнительные измерения или нет, идея циклической Вселенной, скорее всего, останется привлекательной альтернативой инфляционной модели. Одна из причин заключается в проблеме энтропии, то есть постоянного нарастания меры беспорядка во Вселенной, что в итоге приводит к тепловой смерти. Мы можем вычислить количество энтропии в наблюдаемой Вселенной, а также заглянуть в прошлое и выяснить, какой она была раньше, учитывая, что она неуклонно возрастала на протяжении всего периода существования космоса. Судя по всему, история Вселенной началась с высокоупорядоченного состояния, которое отличалось крайне низкой степенью энтропии. Эта идея вызывает сильный дискомфорт у многих космологов. Чем была обусловлена столь низкая степень энтропии в самом начале? Представьте, что вы входите в комнату, в которой, как вы считаете, до вас никого не было, и обнаруживаете на полу бесчисленные ряды фишек домино, выглядящие так, будто они просто упали друг на друга в определенной последовательности. Как это могло произойти?

Главное преимущество некоторых моделей циклических и отскакивающих Вселенных состоит в том, что они позволяют объяснить начальную низкую степень энтропии событиями, предшествовавшими отскоку. Согласно последней версии экпиротической модели, разработанной Полом Стейнхардтом и Анной Иджас, в качестве исходной энтропии современной наблюдаемой Вселенной послужила вся энтропия крошечного участка предыдущей Вселенной.

Эта новая модель (которая была обнародована во время написания данной книги) имеет некоторые существенные преимущества по сравнению с предыдущими версиями экпиротического сценария. В частности, она не предусматривает дополнительных пространственных измерений или сингулярности в момент отскока. На самом деле сжатие может быть довольно умеренным, то есть размер Вселенной может уменьшиться всего в два раза. Если оставить в стороне сложные детали, основная идея модели сводится к тому, что циклическим является процесс эволюции Вселенной и сочетание ее ингредиентов. Как уже говорилось, за сжатие и отскок отвечает заполняющее Вселенную скалярное поле, а не столкновение бран.