Сказати, що історія повторюється, недостатньо. Іноді це навіть кумедно. За словами космолога Пола Стейнхардта та його колег, Всесвіт перезапускає цикл свого розвитку приблизно раз на трильйон років.
Сто мільйонів років - це довго, але з космічної точки зору, це як завтра, - вважає Стейнхардт.
Як професор фізики і директор Прінстонського центру теоретичної науки, у співпраці з Нілом Туроком він написав статтю під загальною назвою "Циклічна модель Всесвіту". Ідея полягає в тому, що Всесвіт формується знову і знову, розбиваючи своє життя на тривалі цикли. Великий вибух був не початком, а повторюваною моделлю розширення і стиснення.
Прихильники цієї моделі стверджують, що новий опис світу може заповнити деякі прогалини в розумінні того, як працюють простір і час.
Модель Великого вибуху та інфляції
Загальноприйняте розуміння Всесвіту полягає в тому, що близько 14 мільярдів років тому стався Великий вибух. У перші секунди цього вибуху закони фізики, як ми їх розуміємо, не діяли. Все, що згодом стане матерією, виникло за лічені миті - спочатку частинки, такі як електрони і фотони, а потім нейтрони і протони, будівельні блоки наших атомів.
Перші насінини зірок, планет і галактик розлетілися з тієї знаменної точки в часі і просторі. Вони розподілилися таким чином, що Всесвіт набув "гладкої" форми.
У космологічних масштабах Всесвіт являє собою величезний простір, заповнений матерією та енергією. Але як розподілена ця матерія і як вона розподілена в просторі?
Фізики припускають, що Всесвіт відносно рівномірний, тобто речовина в ньому розподілена приблизно однаково в будь-якій точці. Якби ви поставили куб навколо однієї ділянки Всесвіту, то він не буде набагато щільнішим за його аналог, розташований на відстані кількох десятків галактик від першого.
У менших масштабах, наприклад, між галактиками або всередині сонячної системи, матерія вже "грудкувата" і заповнена спонтанно, майже довільними скупченнями. Ці "грудкуватості" в масштабі Всесвіту являють собою галактики, зірки, планети та інші астрономічні об'єкти.
Науковці припускають, що незабаром після Великого вибуху сталася "інфляція". Це було швидке розширення Всесвіту за частки секунди, яке відбувалося в космічних масштабах. Інфляція є частиною сучасної стандартної моделі Всесвіту, званої моделлю Лямбда-холодної темної матерії (LCDM).
Згідно з моделлю LCDM, форма траєкторії Всесвіту на деяких зображеннях нагадує вирву, широка верхня частина якої з часом зростає і поширюється далі. Це означає, що Всесвіт продовжує розширюватися досі і що його кінцева доля залежить від балансу між гравітаційним тяжінням і темною енергією.
Одне з можливих трактувань ґрунтується на фрагментах інформації, які вчені збирають і аналізують у реальному часі за допомогою астрономічних спостережень. З цих даних будуються математичні моделі, які допомагають астрофізикам і космологам робити передбачення про майбутнє. Однак, існують і інші інтерпретації, які також ґрунтуються на тих самих шматочках інформації.
Леонардо Джіані, постдокторант Квінслендського університету в Австралії, який займається альтернативними моделями Всесвіту, вважає, що космологія - це командна робота, де потрібні і люди, що займаються спостережною астрономією, і ті, хто захоплений науковою фантастикою.
Водночас теоретична астрофізика ґрунтується на припущеннях, які будуються на основі небагатьох речей, про які ми знаємо напевно. Одним із таких ключових елементів є космічний мікрохвильовий фон (CMB), який складається зі слідів випромінювання, що залишилося від ранніх етапів Всесвіту. Радіотелескопи використовуються для збору цієї інформації, яка потім перетворюється на теплову карту. CMB є важливим джерелом спостережуваної інформації в космології.
Насправді таке зображення не показує нам, як розподілявся вміст Всесвіту приблизно через 400 000 років після Великого вибуху. Усе було майже однорідно, за винятком крихітних флуктуацій, які стали матерією, що формує зірки і галактики. Знімок слугує доказом того, що Всесвіт починався з маленької "упаковки" і розширився до сьогоднішнього стану.
Ми також знаємо, що Всесвіт продовжує розширюватися, і навіть можемо певною мірою виміряти, наскільки швидко він це робить. CMB також служить підтвердженням того, що рання версія Всесвіту була дуже гарячою, а наша епоха набагато холодніша.
Проблеми з моделюванням
За словами Стейнхардта, виникають певні проблеми з інфляційною моделлю, яку було розроблено як модернізацію попередніх моделей, що базуються на теорії Великого вибуху. Інфляційна модель мала пояснити, чому Всесвіт здається однорідним і має однакові початкові умови.
Однак, на думку Стейнхардта, інфляційна модель має настільки багато варіантів, що вона втрачає свою космологічну значущість і стає марною.
Раніше розроблені моделі космосу не виключають можливості помилок у передбаченнях. Це подібно до того, як якщо б я пояснив вам, чому небо блакитне, але потім ви виявили інші "випадкові" тони, як-от червоний або зелений, коли уважніше розглянули мою теорію. Таким чином, ця теорія не може пояснити всі аспекти фізичної реальності.
Крім того, виникає проблема сингулярності. Теорія інфляції, згідно зі Стейнхардтом, застрягає в точці "до" Великого вибуху, оскільки, за її твердженням, до нього не було нічого. Філософська проблема Великого вибуху полягає в тому, що є "після", але немає "до". Ми не знаємо і не розуміємо, як виникла історія Всесвіту.
Математично Великий вибух має такий вигляд, ніби він стався з невизначеного стану, який не може бути пояснений законами фізики в рамках загальної теорії відносності Ейнштейна. Це називається "сингулярністю". Для Стейнхардта це є математичним еквівалентом червоного прапора, хоча не всі з цим згодні.
Проблема пов'язана з тим, що теорію інфляції важко поєднати з теорією струн і квантовою механікою, стверджує Стейнхардт. Якби ця модель правильно описувала Всесвіт, то вона б узгоджувалася з іншими основами фізики. Однак натомість вони суперечать одна одній.
На думку Стейнхардта, коли йдеться про космологію, часто доводиться мати справу з галузями мислення, які знаходяться далеко одна від одної, або з боку астрології, або з боку фундаментальної фізики, які не сумісні між собою. Циклічна модель може вирішити деякі з цих протиріч, але не всі.
Циклічна модель
Основні принципи теорії припускають, що Великий вибух не є початком часу, а фази стиснення і розширення, що передували йому, повторюються в нескінченному циклі.
Бапзовим періодом, що визначає форму Всесвіту, був період повільного стиснення, відомий як "Велике стиснення", який передував так званому Біг Бенгу. Замість того, щоб розглядати початок часу, який виник з нічого, циклічна модель припускає тривалий період у "передодні", що вирішує проблеми, подібні до тих, що вирішує інфляційна теорія, але ще більш глибоко.
Ця модель також усуває проблему сингулярності - невизначеного числа - за рахунок існування часу до Великого вибуху і використовує теорію струн і квантові флуктуації. Подібно до моделі LCDM, циклічна модель враховує темну енергію - неспостережувану силу, яка, згідно з ученими, стоїть за прискореним розширенням Всесвіту.
Однак модель Стенхардта і Турока являє собою наукову фантастику: дві однакові площини, звані "бранами", сходяться разом і розширюються в сторони.
Спостережувані нами три виміри відносяться тільки до нашої брани, і не враховують додаткові виміри іншої брани. Темна енергія є силою, що призводить до зіткнення бран, які розширюються і збираються разом, коли вони стають настільки плоскими і гладкими, наскільки це можливо.
Деякі припущення цієї моделі, взяті з теорії струн, не дозволяють розглядати її як циклічну. Загалом, ця теорія пояснює деякі особливості Всесвіту і дає змогу вченим краще розуміти його походження та еволюцію.
Теория Роджера Пенроуза
Можливо, більш реалістичною є циклічна модель Всесвіту, запропонована Роджером Пенроузом - фізиком-теоретиком з Оксфорда. Він створив новий ідеологічний підхід до вивчення Всесвіту, який назвав "обурливо новим поглядом".
Відповідно до теорії Пенроуза, у далекому майбутньому наша Сонячна система і галактика будуть поглинуті чорними дірами, які поступово з'їдять усю масу, що залишилася у Всесвіті. У результаті чорних дір залишиться тільки фотони, які не мають маси і, отже, енергії або частоти згідно з нашими поточними законами фізики.
На цьому етапі вимірювання масштабу вже не матимуть сенсу, але форма Всесвіту залишиться. У момент Великого вибуху частинки були настільки гарячі та стиснуті одна до одної, що рухалися практично зі швидкістю світла і втрачали свою масу. Ці умови будуть відтворені в майбутньому, коли Всесвіт стане холодним і далеким. Таким чином, віддалене майбутнє і Великий вибух стають одним і тим самим.
Подолання
Зрештою, людське знання обмежене, і тому наші теорії про Всесвіт ніколи не будуть повними. Теорії будуються на основі обмеженої кількості спостережуваних даних і математичних моделей, які описують тільки малу частину видимого світу.
Космологічні теорії переглядаються в міру появи нових даних, які можуть суперечити наявним моделям, але немає єдиної теорії, що об'єднує всі факти в єдине ціле. Необхідність перегляду теорій також зумовлена тим, що багато процесів вселенського масштабу невимірні.
Нові робочі гіпотези підтверджують або спростовують наявні моделі, але це не гарантує появи нових наукових альтернатив. Наприклад, у рамках інфляційної моделі вчені очікують виявити поляризацію гравітаційних хвиль, але відсутність такої поляризації не обов'язково означає, що циклічна модель правильна.
Незважаючи на те, що наука прагне пояснити всі явища у Всесвіті, ми ніколи не зможемо точно знати минуле або майбутнє без "телескопа часу". Таким чином, наша наука завжди перебуватиме в стані постійного пошуку нових знань і відкриттів, ніколи не досягнувши повного розуміння Всесвіту.
