Мы живем в одноразовой Вселенной: почему физика отрицает цикличное перерождение космоса

Космология на протяжении всей своей истории пытается разрешить конфликт между двумя представлениями о времени: линейным и циклическим. В классической модели Большого взрыва время линейно. У него есть абсолютная точка начала — гравитационная сингулярность, состояние с бесконечной плотностью и температурой вещества, в которой современные физические уравнения теряют математический смысл. Наличие такой сингулярности указывает на неполноту наших знаний о законах гравитации и квантовой механики.

С другой стороны, гипотеза о циклическом развитии Вселенной предполагает, что космос существует вечно, проходя через бесконечные фазы расширения, сжатия и последующего обновления. Это избавляет физику от необходимости объяснять, что происходило до начала времен, поскольку у времени в такой модели начала нет. Однако при попытке описать циклическую Вселенную физическими методами ученые сталкиваются с ограничениями, которые накладывают термодинамика и современные астрономические наблюдения.

Термодинамический барьер: почему циклы не могут длиться вечно

Первую математически обоснованную модель циклического космоса в 1930-х годах предложил физик Ричард Толмен. Он основывался на уравнениях общей теории относительности Эйнштейна и пытался описать Вселенную, которая расширяется, затем останавливается под действием сил гравитационного притяжения, сжимается в сверхплотное состояние, а затем за счет неизвестного на тот момент квантового механизма переходит к новому расширению. Этот гипотетический переход от сжатия к расширению в физике называют «отскоком».

Модель Толмена выглядела математически жизнеспособной, пока в расчеты не включили законы термодинамики, а именно второй закон термодинамики. Он утверждает, что в любой замкнутой физической системе энтропия — величина, характеризующая равномерность распределения энергии и степень разупорядоченности системы — должна непрерывно возрастать.

В масштабах Вселенной рост энтропии обусловлен необратимыми термодинамическими процессами. Основным источником этого роста является излучение звезд. В процессе термоядерного синтеза звезды преобразуют водород в гелий, выделяя колоссальное количество энергии в виде электромагнитного излучения (фотонов). Этот процесс необратим: фотоны рассеиваются в межгалактическом пространстве, увеличивая общий показатель энтропии Вселенной.

При переходе от расширения к сжатию и последующему гипотетическому отскоку это накопленное излучение никуда не исчезает. Каждый новый цикл Вселенной начинается с более высоким уровнем энтропии, чем предыдущий. Наличие избыточного излучения создает дополнительное давление, которое влияет на динамику расширения в следующем цикле. Из-за этого дополнительного давления каждый последующий цикл расширения длится дольше и достигает большего максимального объема, чем предыдущий.

Если мы попытаемся построить временную шкалу такой Вселенной в будущее, то увидим бесконечную череду циклов, которые становятся все крупнее и продолжительнее. Однако если мы обратим этот процесс в прошлое, то обнаружим обратную зависимость: каждый предыдущий цикл должен был быть короче и меньше последующего. Экстраполяция уравнений Толмена в прошлое неизбежно приводит к циклу с минимальной продолжительностью и объемом, у которого уровень энтропии равен нулю.

Это означает, что даже в циклической модели Толмена существует абсолютная начальная точка — первый цикл, который требует внешнего объяснения для своих начальных условий. Термодинамика доказывает, что Вселенная не могла совершать циклы вечно в прошлом. У времени все равно обнаруживается начало, что возвращает физиков к проблеме сингулярности.

Проблемы стандартной космологии и инфляционное решение

Прежде чем рассматривать современные альтернативы модели Толмена, необходимо понять, как физика решила проблему сингулярности и начальных условий в рамках линейного времени. В 1980-х годах была разработана инфляционная модель Вселенной, которая сегодня является общепринятым дополнением к теории Большого взрыва.

Инфляция — это гипотетическая эпоха экспоненциально быстрого расширения Вселенной, которая происходила в первые доли секунды после ее возникновения (примерно между 10^(-36) и 10^(-32) секунды). Этот процесс происходил под воздействием особого скалярного поля, называемого инфлатонным полем. Скалярное поле в физике характеризуется определенным значением энергии в каждой точке пространства (в отличие от векторных полей, у которых есть направление, как у электромагнитного поля).

Инфляционная модель была создана не для обоснования линейности времени, а для решения трех фундаментальных проблем классической теории Большого взрыва, которые физика не могла объяснить простым расширением вещества:

1. Проблема плоской геометрии

Общая теория относительности допускает, что пространство Вселенной может обладать положительной кривизной (быть замкнутым, как сфера) или отрицательной кривизной (быть открытым). Мерой кривизны служит параметр плотности Омега, который равен отношению средней плотности вещества во Вселенной к критической плотности. Если параметр Омега точно равен единице, пространство является плоским, и в нем действуют законы евклидовой геометрии.

В стандартной модели Большого взрыва значение Омега = 1 крайне нестабильно. Если бы на ранних этапах плотность Вселенной хоть немного отличалась от критической, со временем это отклонение росло бы лавинообразно. Однако современные измерения показывают, что наша Вселенная является плоской с точностью до десятых долей процента.

Инфляция решает эту проблему математически. Во время сверхбыстрого экспоненциального расширения метрика пространства растягивается настолько сильно, что любая начальная кривизна уменьшается практически до нуля. Масштаб искривления пространства после инфляции многократно превышает размеры наблюдаемой нами части Вселенной, из-за чего для любого локального наблюдателя геометрия космоса фиксируется как абсолютно плоская.

2. Проблема горизонта

Температура космического микроволнового фона (реликтового излучения), приходящего к нам со всех сторон Вселенной, изотропна — она одинакова с точностью до одной тысячной доли процента. Это указывает на то, что в ранней Вселенной вещество находилось в состоянии теплового равновесия.

Однако скорость передачи тепла ограничена скоростью света. В классической модели Большого взрыва области Вселенной, разделенные сегодня миллиардами световых лет, в прошлом находились на слишком большом удалении друг от друга. Скорость расширения пространства превышала скорость света, и эти области физически не успели бы обменяться тепловой энергией для выравнивания температуры. Это называют отсутствием причинно-следственной связи между удаленными регионами.

Инфляционная теория объясняет это тем, что до начала фазы экспоненциального расширения вся наблюдаемая ныне Вселенная была сосредоточена в крайне малом объеме пространства. Этот объем был достаточно мал, чтобы тепловые процессы успели полностью выровнять температуру. Затем инфляция мгновенно разнесла эти термодинамически согласованные области на колоссальные расстояния, которые сегодня превышают расстояние, проходимое светом за время существования Вселенной.

3. Проблема магнитных монополей

Современные теории великого объединения физических взаимодействий предсказывают, что при сверхвысоких температурах в ранней Вселенной должно было образоваться огромное количество стабильных сверхтяжелых частиц с одним магнитным полюсом — магнитных монополей. Их масса должна быть настолько велика, что они доминировали бы в современной структуре Вселенной, препятствуя формированию привычной нам материи. Однако астрономические наблюдения не фиксируют присутствия магнитных монополей.

Инфляция решает эту проблему за счет изменения плотности. Экспоненциальное расширение пространства увеличило объем Вселенной во много раз, при этом количество образовавшихся до инфляции магнитных монополей осталось прежним. Их концентрация на единицу объема упала практически до нуля, из-за чего вероятность обнаружить хотя бы один монополь в границах наблюдаемой Вселенной стала ничтожно малой.

Главным триумфом инфляционной модели стало то, что она дала конкретные количественные предсказания. Квантовые флуктуации инфлатонного поля во время быстрого расширения перешли в классические возмущения плотности вещества. Эти микроскопические неоднородности послужили гравитационными центрами для последующего формирования галактик и их скоплений. Инфляция предсказала точные статистические характеристики этих неоднородностей, которые позже были зафиксированы при изучении реликтового излучения.

Тем не менее, инфляция не избавляет космологию от проблемы сингулярности. Математические теоремы Борда, Гута и Виленкина доказывают, что любое расширяющееся инфляционное пространство должно быть неполным в прошлом. Это означает, что инфляция должна была иметь начало во времени, возвращая физику к исходному вопросу о происхождении Вселенной.

Многомерная альтернатива: экпиротический сценарий

В начале 2000-х годов физики-теоретики Пол Стейнхардт и Нил Тюрок предложили принципиально иную модель, которая должна была объяснить плоскую геометрию и однородность Вселенной без привлечения инфляции и одновременно сделать Вселенную цикличной. Эта концепция получила название экпиротического сценария. Она базируется на уравнениях теории суперструн и М-теории, предполагающих существование дополнительных пространственных измерений.

Согласно М-теории, наше физическое пространство имеет одиннадцать измерений. Однако большинство из этих измерений свернуты на микроскопических масштабах (микроскопическая компактификация), из-за чего мы их не замечаем. Наша трехмерная Вселенная рассматривается как пространственное подмногообразие размерности три (так называемая 3-брана), парящее в пространстве большей размерности, которое называют балком.

Экпиротический сценарий предполагает существование двух параллельных трехмерных бран, разделенных фиксированным расстоянием во вспомогательном четвертом пространственном измерении. Между этими бранами действует гравитационное притяжение, обусловленное силами натяжения струн. Большой взрыв в этой модели интерпретируется не как расширение из точечной сингулярности, а как результат физического столкновения этих двух плоскостей.

Такой подход решает проблему бесконечной плотности. Поскольку сталкиваются две протяженные трехмерные плоскости, выделение энергии происходит одновременно по всему их объему. Плотность энергии в момент столкновения чрезвычайно велика, но она остается конечной величиной. Физические уравнения в этой точке не теряют математического смысл, что устраняет классическую сингулярность Большого взрыва.

Экпиротический сценарий также предлагает решение проблемы энтропии Толмена, которая делала циклы конечными в прошлом. В модели сталкивающихся бран трехмерное пространство внутри самих бран никогда не сжимается до нулевого объема. В процессе сближения бран их внутренние метрики продолжают расширяться.

Это расширение приводит к тому, что вся энтропия (вещество, излучение, черные дыры), накопленная за предыдущий цикл, распределяется по колоссальному объему пространства. К моменту следующего столкновения локальная плотность энтропии в любой точке нашей браны практически падает до нуля. Происходит физическое очищение пространства за счет его гигантского расширения, а не сжатия. Это позволяет Вселенной проходить через бесконечное количество циклов столкновений и отскоков без накопления термодинамического «мусора».

Медленное и плавное сближение бран перед столкновением также решает проблему горизонта и плоской геометрии. У материи на бранах есть достаточно времени, чтобы прийти в состояние теплового равновесия до момента удара, а силы натяжения между бранами естественным образом разглаживают пространственную кривизну, делая геометрию плоской.

Почему циклическая модель проиграла инфляции

Несмотря на математическую сложность и теоретическую привлекательность экпиротического сценария, он столкнулся с непреодолимыми препятствиями при попытке сопоставить его выводы с результатами реальных астрономических измерений.

Физическая теория не может считаться успешной, если она лишь объясняет уже известные факты. Она должна делать предсказания, которые можно проверить экспериментально. Инфляция и экпиротический сценарий дают разные предсказания относительно свойств космического микроволнового фона (реликтового излучения) — теплового излучения, оставшегося со времен ранней Вселенной, когда ее температура снизилась до 3000 Кельвинов, и электроны объединились с протонами в нейтральные атомы водорода (эпоха рекомбинации).

Первичные возмущения плотности, зафиксированные в реликтовом излучении, делятся на два типа:

• Адиабатические возмущения плотности (скалярные моды). Это колебания плотности самого вещества и излучения.
• Первичные гравитационные волны (тензорные моды). Это периодические колебания самой ткани пространства-времени, вызванные масштабными перемещениями масс в ранней Вселенной.

Инфляционная модель предсказывает возникновение как скалярных, так и тензорных возмущений. При этом спектр скалярных возмущений должен обладать важным свойством — так называемым «красным наклоном». Это означает, что на очень больших пространственных масштабах амплитуда колебаний плотности должна быть чуть выше, чем на малых масштабах. Математически это выражается через спектральный индекс n_s, который для строго однородного спектра равен единице. Инфляция предсказывает, что n_s должен быть строго меньше единицы (примерно 0.96).

Экпиротический сценарий в своей первоначальной формулировке предсказывал принципиально иной спектр возмущений плотности. Он давал «синий наклон» (n_s > 1), при котором флуктуации на малых масштабах оказывались значительно сильнее, чем на больших. Это полностью противоречило уже первым, относительно неточным измерениям реликтового излучения, проведенным космическими аппаратами COBE и WMAP в 1990-х и 2000-х годах.

Чтобы спасти экпиротическую модель, авторам пришлось существенно усложнить теорию. Они ввели второе скалярное поле для генерации стабильных возмущений плотности и разработали механизм преобразования этих возмущений в адиабатические скалярные моды. Это сделало теорию менее элегантной, так как она потребовала точной настройки множества начальных параметров, не следующих из общих физических принципов.

Окончательную точку в этом противостоянии поставили данные космической обсерватории «Планк», запущенной Европейским космическим агентством. Телескоп «Планк» измерил флуктуации температуры реликтового излучения с беспрецедентным угловым разрешением и чувствительностью.

В 2013 и 2015 годах научная коллаборация «Планк» опубликовала результаты анализа данных. Измеренное значение спектрального индекса скалярных возмущений составило:

n_s = 0.965 +- 0.004

Это значение находится в полном согласовании с предсказаниями простейших моделей инфляции. Оно исключило экпиротический сценарий со спектральным индексом больше единицы. Все попытки модифицировать экпиротическую модель под это значение привели к тому, что уравнения стали выглядеть искусственно перегруженными.

Кроме того, инфляция предсказывает гауссово распределение первичных флуктуаций температуры реликтового излучения (то есть отклонения распределены по стандартному нормальному закону). Экпиротические модели в силу своей специфики часто генерируют значительную неминимальную нелинейность (негауссовость). Телескоп «Планк» не обнаружил никаких следов негауссовости, подтвердив стандартные инфляционные параметры.

Еще одним важным фактором является отсутствие подтверждений для ключевых элементов экпиротической теории. Сценарий требует, чтобы плотность темной энергии со временем уменьшалась и меняла знак с положительного на отрицательный, чтобы расширение Вселенной сменилось сжатием. Однако все современные космологические наблюдения (включая измерения сверхновых звезд типа Ia и барионных акустических осцилляций) показывают, что плотность темной энергии неизменна в пределах погрешности измерений и ведет себя как космологическая постоянная Эйнштейна (Лямбда).

Также не существует экспериментальных подтверждений суперсимметрии или существования дополнительных пространственных измерений, которые лежат в основе М-теории. На Большом адронном коллайдере не было обнаружено ни одной суперсимметричной частицы или микроскопических черных дыр, присутствие которых указывало бы на скрытые пространственные измерения.

Выводы

Научный метод требует отдавать предпочтение теориям, которые дают наиболее простые, точные и экспериментально подтверждаемые объяснения наблюдаемых явлений. На сегодняшний день инфляционная модель линейной Вселенной полностью удовлетворяет этим требованиям. Она объясняет плоскую геометрию, изотропию и структуру распределения галактик в рамках единого физического процесса, подтвержденного данными реликтового излучения.

Циклические модели, начиная от термодинамических расчетов Толмена и заканчивая экпиротическим сценарием теории струн, сталкиваются с противоречиями. Либо они нарушают законы термодинамики, требуя неестественного сброса энтропии в замкнутом объеме, либо их математический аппарат упирается в непреодолимые сингулярности в момент отскока, либо они дают предсказания, прямо опровергаемые высокоточными космологическими измерениями.

Все доступные на сегодняшний день эмпирические данные указывают на то, что Вселенная развивается линейно. Физическое время имеет определенное направление эволюции без повторения пройденных этапов. Наша Вселенная является несерийным физическим объектом с уникальным вектором развития от фазы первичной инфляции до бесконечного расширения в будущем.