Модель Большого взрыва (Big Bang) восходит к исследованиям, которые в 1920-х годах провели петербургский математик Александр Фридман и бельгийский астрофизик Жорж Леметр (Georges Lemattre). Свой завершенный вид теория приобрела около 1948 г. в работах Георгия Гамова и двух его ассистентов (Гамов в 1934 г. эмигрировал из СССР в США, где получил кафедру в столичном университете им. Джорджа Вашингтона). После открытия в 1964 г. американскими радиоастрономами Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Робертом Вильсоном (Robert Wilson) микроволнового излучения, которое предсказывала теория Большого взрыва, она получила новую жизнь и быстро обрела статус стандартной модели рождения Вселенной.

Как оригинальная теория Биг Бэнга, так и ее позднейшие версии утверждали, что Вселенная после своего возникновения непрерывно расширялась, но скорость этого расширения всё время падала из-за тормозящего воздействия всемирного тяготения. Однако в начале 1980-х годов Алексей Старобинский из Института теоретической физики им. Ландау и сотрудник теоретического отдела Стэнфордского линейного ускорителя Алан Гут (Alan Guth) независимо друг от друга обнаружили, что отказ от этого допущения послужит на пользу модели.

Ранее приходилось предполагать, что Вселенная по какому-то странному стечению обстоятельств уже в момент рождения была практически идеально плоской и почти однородно заполненной частицами и излучением. Старобинский и Гут выдвинули гипотезу, что Вселенная вскоре после своего рождения в течение 10^-34 секунды расширялась с быстро возрастающей скоростью и не менее ста раз удвоила свои размеры. Отсюда следовало, что сначала она могла быть сильно искривленной и неоднородной по составу, поскольку в результате растягивания всё равно была обязана сделаться плоской и повсюду одинаковой, за исключением мельчайших флуктуаций, которые становились зародышами первых звезд и галактик.

Сверхбыстрое разбухание пространства с легкой руки американского физика-теоретика Сидни Коулмена (Sidney Coleman) стали называть космологической инфляцией. Первоначально эта модель страдала рядом недоработок, которые вскоре исчезли благодаря работам научного сотрудника ФИАН, а ныне профессора Стэнфордского университета Андрея Линде и физиков из Университета Пенсильвании Пола Стейнхардта (Paul Steinhardt) и Андреаса Альбрехта (Andreas Albrecht).

Инфляционные модели в основном сходятся в том, что инфляцию запустило скалярное квантовое поле, которое обычно называют инфлатоном. Это поле действовало противоположно тяготению и потому вызывало расширение пространства. Поскольку плотность его энергии сначала падала очень незначительно, оно растягивало пространство с неослабевающей силой, что и было причиной инфляции. Однако со временем поле стало терять энергию, которая в конце концов дошла до устойчивого минимума и зафиксировалась в этом положении. На этом этапе инфляция прекратилась. Перед тем, как это произошло, поле быстро осциллировало, порождая электромагнитное излучение и элементарные частицы. В результате к окончанию инфляционной фазы Вселенная заполнилась из гамма-квантов и целого букета частиц — кварков, электронов, нейтрино и еще не открытых, но, скорее всего, существующих частиц темной материи. Затем в свои права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью.

Фрагмент анимации

Вскоре после создания инфляционной модели несколько теоретиков поняли, что ее внутренняя логика не противоречит идее перманентного множественного рождения всё новых и новых вселенных. В самом деле, квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать в любом количестве, если для этого имеются подходящие условия. Не исключено, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Можно даже допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную. Существуют модели, в которых дочерние вселенные возникают непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и живут своей собственной жизнью (при этом вовсе не обязательно, что повсюду устанавливаются одни и те же физические законы). Все эти миры «вложены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем настолько, что никак не ощущают присутствия друг друга. В общем концепция инфляции не только позволяет, но прямо-таки вынуждает прийти к заключению, что в исполинском «мегакосмосе» существует множество изолированных друг от друга вселенных с различным устройством.


Физики-теоретики любят пересматривать даже самые устоявшиеся концепции. Поэтому не следует удивляться, что конкуренты появились и у инфляционной интерпретации Большого взрыва. Одну из таких моделей придумал тот самый Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt), который в свое время помог заложить основы инфляционной космологии. Теперь он возглавляет Центр теоретической физики в Принстоне. В создании новой теории ему помог Нэйл Тьюрок (Neil Turok), который до 2008 г. руководил отделением математической физики Кембриджского университета, а затем стал директором Института теоретической физики «Периметр» в канадском городе Ватерлоо в провинции Онтарио. Так что оба автора принадлежат к суперэлите современной физики.

Основы новой теории они изложили в рассчитанной на достаточно широкую аудиторию монографии Endless Universe: «Beyond the Big Bang», опубликованной в 2007 г. издательством Doubleday. Модель Стейнхардта и Тьюрока существует в нескольких версиях, но я расскажу о самой наглядной. Она основана на разработанном в конце прошлого века обобщении теории квантовых суперструн, известном как М-теория. Эта теория утверждает, что физический мир странственных и одно временное. В нем плавают пространства меньших размерностей, так называемые браны (сокращение от мембраны). Наша Вселенная — просто одна из таких бран, обладающая тремя пространственными измерениями.

Все истинно элементарные частицы, которые существуют во Вселенной (электроны, кварки, нейтрино, фотоны и т.п.), на самом деле являются разомкнутыми вибрирующими бесконечно тонкими и чрезвычайно короткими струнами. Концы каждой такой струны намертво закреплены внутри нашей трехмерной браны, поэтому покинуть ее струна не может. Отсюда следует, что все частицы навечно заперты в пределах нашего родимого пространства. Но есть и закольцованные струны — это гравитоны, переносчики поля тяготения. Очень важно, что струнные кольца не сцеплены с определенными бранами и потому могут свободно мигрировать между ними. Этим гравитация принципиально отличается от электромагнитного взаимодействия, которое переносят фотоны, обреченные на внутрибрановый плен.

Модель Стейнхардта и Тьюрока утверждает, что Большой взрыв вовсе не был началом Вселенной. Давайте посмотрим, как она работает, причем начнем с нашей космологической эпохи. Поскольку Вселенная сейчас расширяется с возрастающей скоростью, плотность материи и излучения постоянно падает. Как следует из общей теории относительности, гравитационное искривление пространства слабеет, а его геометрия становится все более идеально плоской. В течение следующего триллиона лет размеры Вселенной удвоятся около ста раз, и она превратится в практически пустой мир, лишенный материальных структур. То же самое утверждает и инфляционная космология, принимающая во внимание существование темной энергии. Получается, что на этот срок прогнозы обеих теорий мироздания полностью совпадают.


А дальше начинаются различия. Инфляционная космология попросту предписывает нашей Вселенной вечное расширение, которому не помешает даже возможное рождение дочерних вселенных. Стейнхардт и Тьюрок видят ее будущее иначе. Согласно их гипотезе, рядом с нами плавает другая трехмерная брана, отделенная щелью почти нулевой протяженности. Она претерпевает такую же эволюцию, т.е. подобно нам расширяется, уплощается и пустеет. Всё это время дистанция между бранами практически не меняется. Но пройдет триллион лет, и браны начнут сближаться. Их связывает друг с другом силовое поле, действие которого зависит от длины щели. Сейчас оно препятствует сближению бран и при этом с ускорением растягивает пространство и той, и другой (так что, по сути, именно оно и действует в качестве темной энергии). Однако в будущем оно поменяет знак и начнет подталкивать браны навстречу друг другу.

В конце концов обе браны столкнутся, затормозятся и вновь начнут расходиться. При этом выделится огромное количество энергии, которая нагреет наш опустевший мир до сверхвысоких температур и опять обогатит его частицами и излучением. Этот катаклизм запустит очередной цикл расширения и охлаждения Вселенной. Модель Стейнхардта и Тьюрока утверждает, что такие циклы имели место в прошлом и обязаны повторяться в будущем. Было ли у них вообще какое-то начало, теория умалчивает.

Обложка книги. В 2007 г. П. Стейнхард и Н. Тьюрок опубликовали научно-популярную книгу Endless Universe: The Big Bang and Beyond о современных космологических теориях.

Согласно этому сценарию, история мироздания состоит из великого (возможно, даже бесконечного) множества отдельных циклов. Каждый цикл начинается со стадии интенсивного рождения сверхгорячего вещества и излучения. Эту стадию при желании можно назвать Большим взрывом. Но любая из этих фаз знаменует не возникновение новой вселенной, а лишь переход от одного цикла к другому. И пространство, и время существуют и до, и после любого из этих катаклизмов. Поэтому новая модель не нуждается в гипотезе космологической инфляции, которую в свое время изобрели для устранения проблем, вытекавших из теории рождения Вселенной в ходе Биг Бэнга.

У новой модели пока мало сторонников, и это естественно. Во-первых, она выглядит уж очень экзотично; во-вторых, инфляционная космология настолько хорошо объясняет все наблюдаемые характеристики Вселенной, что менять ее на что-то иное вроде бы нет никакого смысла. Однако Стейнхардт полагает, что начальные условия запуска инфляции, как они прописаны в теории Гута и его последователей, в статистическом плане неизмеримо менее правдоподобны, нежели та картина возникновения мироздания, которую нарисовала новая теория. Иными словами, вероятность реализации этих условий неизмеримо меньше, нежели вероятность рождения изначально плоской Вселенной. Если принять эту точку зрения, то поиск альтернативных моделей представится вполне разумным.

В конечном счете всё решат наблюдения. Инфляционная космология утверждает, что Вселенную должны пронизывать волны тяготения определенного вида, которым нет места в циклической модели. Пока что гравитационные волны еще не открыты — ни те, что предположительно остались в наследство от стадии инфляционного расширения Вселенной, ни какие-либо иные (например, волны, которые обязаны испускать пары нейтронных звезд, вращающихся вокруг друг друга). Однако астрофизики строят и будут строить всё более чувствительные детекторы гравитационного излучения, так что регистрация космических гравитационных сигналов скорее всего уже не за горами. Если не удастся обнаружить волны, предсказанные инфляционной космологией, многие теоретики займутся конкурирующими теориями, в том числе и циклической моделью. Во всяком случае, на это надеется Пол Стейнхард , о чем он и написал в одном из выпусков Scientific American.
Нейтральное мнение

Активные разработчики инфляционной космологии гипотезу Стейнхардта и Тьюрока, конечно, не приемлют. В поисках более нейтральной оценки я обратился к одному из крупнейших американских астрофизиков, профессору Гарвардского университета Ави Лёбу (Avi Loeb). Он отметил, что в науке всегда приветствуется появление альтернатив даже самым апробированным теориям.

По его мнению, Стейнхардту и Тьюроку пока не удалось показать, что их модель математически выводится из какой-то фундаментальной физической теории. В настоящее время она покоится только на нескольких недоказанных допущениях, а это не очень прочное основание. Кроме того, эта модель пока что практически непроверяема, поскольку мало что предсказывает, кроме отсутствия волн тяготения, прогнозируемых инфляционной космологией. Даже если гравитационные детекторы нового поколения таковых не обнаружат, отсюда еще не будет следовать, что циклическую модель надо считать доказанной. В то же время Ави Лёб не скрыл, что считает эту модель весьма остроумной и будет только рад, если ее авторам удастся найти для нее прочный фундамент.

Алексей Левин
«Троицкий вариант — Наука» № 81
21 июня 2011 года.