"Остання зірка повільно охолоне і згасне. З її відходом Всесвіт знову стане порожнечею, без світла, життя і сенсу".
Таким є попередження фізика Брайана Кокса в серіалі BBC "Всесвіт". Згасання останньої зірки - початок нескінченно довгої темної епохи. Уся матерія врешті-решт буде поглинута чорними дірами, які, своєю чергою, випаруються в тьмяні проблиски світла.
У результаті простір розшириться ще далі, доки залишки тьмяного світла не перетворяться на розрізнений шматочки того, що умовно можна назвати "постматерією", надто слабкі для взаємодії та підтримання будь-якої структури. Настане смерть у космологічному масштабі.
Утім, деякі космологи вважають, що попередній холодний, темний і втомлений від життя порожній Всесвіт, подібний до того, що чекає на нас у далекому майбутньому, міг стати джерелом Великого вибуху.
Перша матерія
Давайте подивимося, як уперше з'явилася "матерія" - фізична матерія, яку ми зараз dblbv і навіть - віддалено - вимірюємо.
Якщо ми хочемо пояснити походження стабільної матерії, що складається з атомів або молекул, то одразу обмовимося: під час Великого вибуху і протягом наступних сотень тисяч років нічого подібного не було.
Ми начебто знаємо, як із простіших частинок утворилися атоми, яка роль охолодженого всесвіту, як з'явилася й усталилася складна матерія, а головне - як з цих атомів з'єдналися важчі елементи всередині зірок. Але це розуміння не вирішує питання: з чого все? Вірніше: як усе з'явилося з нічого?
Першими довгоживучими частинками матерії були протони та нейтрони, які разом складають атомне ядро. Вони з'явилися приблизно через одну десятитисячну секунди після Великого вибуху. До цього моменту не існувало ніякої матерії у звичному розумінні цього слова. Але фізика дозволяє нам простежити хронологію у зворотному напрямку - до процесів, які передували виникненню будь-якої стабільної матерії.
Йдеться про "велику єдину епоху". У цей момент ми перебуваємо в царині спекулятивної фізики, оскільки в наших експериментах ми не можемо отримати достатньо енергії, щоб відтворити час до виникнення часу.
Загальноприйнята гіпотеза стверджує, що фізичний світ складався із супу короткоживучих елементарних частинок, включно з кварками, будівельними блоками протонів і нейтронів. Щось на кшталт одномоментної "колаборації" матерії та "антиматерії" у приблизно рівних пропорціях: у кожного типу частки є "дзеркальне відображення" антиматерії, що майже ідентичне "компаньйону". Однак матерія й антиматерія при зустрічі анігілюють, при цьому виділяється величезна кількість енергії. Інакше кажучи, ці частинки постійно створювалися і знищувалися.
Але як ці частинки взагалі з'явилися? Квантова теорія поля говорить нам, що навіть вакуум, який нібито відповідає порожньому простору, сповнений фізичної активності у вигляді флуктуацій енергії. Ці флуктуації можуть призвести до появи частинок, які незабаром після цього зникають. Математична примха, а не реальна фізика. Однак такі частинки були помічені в незліченних експериментах.
Вакуумний стан простору-часу кипить частинками, які постійно створюються і руйнуються, здавалося б, "із нічого". Але, можливо, все це говорить нам про те, що квантовий вакуум (незважаючи на його назву) - це щось, а не ніщо.
Питання: звідки виник сам просторовий час? Чи можемо ми перевести годинник ще далі назад, у справді давню "епоху Планка" - період, настільки ранній в історії Всесвіту, що він нівелює всі наші теорії.
Вважається, що ця епоха настала через одну десятимільйонну частку трильйонної частки трильйонної частки трильйонної частки трильйонної частки секунди після Великого вибуху. У цей момент простір і час самі стали схильні до квантових флуктуацій.
Фізики зазвичай працюють окремо з квантовою механікою, яка пояснює мікросвіт частинок, і із загальною теорією відносності, що застосовується для характеристики макрокосмічних процесів.
Але щоб по-справжньому зрозуміти епоху Планка, нам потрібна повна теорія квантової гравітації, що об'єднує ці два напрямки.
У нас досі немає досконалої теорії квантової гравітації, але є спроби - наприклад, теорія струн і петльова квантова гравітація. У цих спекулятивних міркуваннях простір і час розглядаються як емерджентні явища, хвилі на поверхні глибокого океану.
Те, що ми відчуваємо як простір і час, є продуктом квантових процесів, які діють на глибшому, мікроскопічному рівні, - процесів, що не мають особливого сенсу для нас як істот, закорінених у макроскопічному світі.
В епоху Планка наше звичне розуміння простору і часу руйнується, ми більше не можемо покладатися на стандартні причини і наслідки. Проблема в тому, що всі теорії квантової гравітації описують щось фізичне, що відбувалося в епоху Планка - певний квантовий попередник звичайного простору і часу. Справедливо?
Навіть якщо причинність більше не діє звичним чином, фізики все одно шукають пояснення одного компонента з точки зору іншого.
Науковці, внаслідок академічної кафедральної традиції ніколи не визнають, здавалося б, очевидної речі: відповідей на ці питання немає. Як і на більшість інших.
Крім того, в академічній науці методологічно розмиті категорії "гіпотеза", "припущення" і "теорія". На практиці вони не ранжуються, особливо при побудові математичних моделей або навіть у математичній фізиці в цілому.
Виходом здається поступальний рух у створенні "теорії всього". Інакше ми не зможемо дати жодної певної відповіді. Крім того, що експериментальна фізика поки що не знайшла жодного підтвердженого випадку виникнення чогось із нічого.
Інше питання: а чи можлива "теорія всього" в принципі? Ось тут уже справді зламаєш усі списи в нескінченних академічних баталіях!
Цикли з нічого
Для того, щоб по-справжньому відповісти на це запитання, необхідно пояснити квантовий стан усього Всесвіту на початку планківської епохи.
І саме тут ми абсолютно безсилі. Деякі дослідники апелюють до надприродних сил, таких як "великий дизайнер". Інші теоретики зводять мультивсесвіт, який містить нескінченну кількість паралельних всесвітів. Треті аналітики конструюють циклічні моделі Всесвіту, що вмирають і відроджуються знову.
Лауреат Нобелівської премії 2020 року фізик Роджер Пенроуз запропонував одну інтригуючу модель, що отримала назву "конформна циклічна космологія".
Пенроуз був натхненний цікавим математичним зв'язком між дуже гарячим, щільним, малим станом Всесвіту - таким, яким він був під час Великого вибуху, - та надзвичайно холодним, порожнім, розширеним станом - саме таким, яким він буде в далекому майбутньому.
Його радикальна теорія, що пояснює стан між "інтегрічою" та "ультрахолодною" стадіями життя Всесвіту, полягає в тому, що всі його прояви стають математично ідентичними, якщо довести їх до межі.
Хоч би як парадоксально це здавалося, але повна відсутність матерії означає ренесанс Всесвіту. У найширшому сенсі цього слова.
Згідно із запропонованою логікою, Великий Вибух виник майже з нічого. Те, що залишилося після поглинання матерії чорними дірами, загубилося в порожнечі.Всесвіт виникає з наближеного до Ніщо. Але це "ніщо" і є фізичний всесвіт, нехай навіть і порожній.
Виходить, ми маємо справу з якимось протостаном, який відповідає "холодному" порожньому і одночасно гарячому щільному всесвіту. Відповідь криється в складній математичній процедурі під назвою "конформна зміна масштабу" - геометричному перетворенні, яке, по суті, змінює розмір об'єкта, але залишає його форму незмінною.
Пенроуз показав, як холодний і гарячий щільні стани можуть бути пов'язані за допомогою такого перетворення, так що вони збігаються за формою своїх просторів - але не за розмірами.
Зізнатися, важко зрозуміти, як два об'єкти можуть бути ідентифіковані таким чином, коли вони мають різні розміри - але Пенроуз упевнений, що розмір як поняття перестає мати сенс у таких екстремальних фізичних середовищах.
У конформній циклічній космології напрямок пояснення йде від старого і холодного до молодого і гарячого: гарячий щільний стан існує завдяки холодному порожньому стану.
Але це "завдяки" не є причиною, за якою в часі слідує її наслідок. У гіпотетичних екстремальних станах не тільки розмір перестає мати значення: час теж. Холодний щільний стан і гарячий щільний стан фактично співіснують на різних часових лініях. Холодний триває вічно з погляду спостерігача в його часовій геометрії, але гарячий мешкає на новій, породженій холодним станом, часовій лінії.
Чи означає це теоретичну можливість існування мультивсесвіту? Питання.
Експериментальний доказ
Інше питання: звідки взявся Великий вибух? Навіть якщо теорія Пенроуза буде підтверджена розвитком космології, ми однаково не відповімо на глибше філософське питання - звідки взялася сама фізична реальність. Як виникла вся система циклів? Зрештою, ми приходимо до чистого питання: чому існує щось, а не ніщо?
Є три широких пояснення, як почалися цикли. Це може взагалі не мати фізичного пояснення. Або можуть існувати нескінченно повторювані цикли, кожен з яких є окремим всесвітом, а початковий квантовий стан кожного всесвіту пояснюється деякими особливостями попереднього всесвіту.
Або може бути один єдиний цикл і один єдиний повторюваний всесвіт, причому початок цього циклу пояснюється деякими особливостями кінця світу.
У будь-якому разі Ніщо не залишиться незрозумілим з точки зору фізики.
Пенроуз обстоює ідею послідовності нескінченних нових циклів. Логіка така: у квантовій механіці фізична система проявляється в суперпозиції безлічі різних станів одночасно, і тільки "один" обирається випадковим чином, коли ми його вимірюємо.
На думку Пенроуза, у кожному циклі випадкові квантові події відбуваються по-різному - це означає, що кожен цикл відрізнятиметься від попереднього і наступного.
Насправді це хороша новина для фізиків-експериментаторів, оскільки вона може дати нам змогу зазирнути в старий Всесвіт, який породив наш, через слабкі сліди, або аномалії, що залишилися після Великого вибуху.
Нескінченні нові цикли є ключем. Існує природний спосіб перетворити конформну космологію з багатоциклової в одноциклову форму. Тоді фізична реальність циклічно повторюватиметься через Великий вибух до максимально порожнього стану далекого майбутнього, а потім знову повертатиметься до Великого вибуху, породжуючи той самий Всесвіт заново.
Такий підхід узгоджується з "багатосвітньою інтерпретацією" квантової механіки. Вона говорить нам, що кожного разу, коли ми вимірюємо систему, що перебуває в суперпозиції, сам вимір не обирає стан випадковим чином.
Результат вимірювання є лише однією з можливостей - тією, яка розігрується в нашому видимому всесвіті.
Усі інші результати вимірювань відтворюються в інших всесвітах, відрізаних від нашого. Тому неважливо, наскільки мала ймовірність того, що щось станеться, бо є ненульова ймовірність, а отже, вона можлива у квантово паралельному світі.
Дехто вважає, що такі паралельні всесвіти спостерігаються і в космологічних даних, як відбитки, спричинені зіткненням з іншими метамірами.
Квантова багатосвітня теорія оживляє конформну циклічну космологію, хоча Пенроуз з нею не згоден. Наш Великий вибух може бути відродженням одного єдиного квантового мультивсесвіту, що містить нескінченно багато різних всесвітів, які відбуваються разом. Усе повторюється знову і знову.
Джерело: scitechdaily.com
