Циклическая модель: бесконечное перерождение Вселенной

В начале 2000-х два физика из Принстонского университета предложили космологическую модель, согласно которой Большой взрыв не уникальное событие, а пространство-время существовало уже задолго до того, как родилась Вселенная.

В циклической модели Вселенная проходит через бесконечный самоподдерживающийся цикл. В 1930-х годах Альберт Эйнштейн высказал идею о том, что Вселенная может переживать бесконечный цикл больших взрывов и больших сжатий. Расширение нашей Вселенной может быть результатом коллапса предшествующей вселенной. В рамках этой модели можно сказать, что Вселенная возродилась из гибели своей предшественницы. Если это так, то Большой взрыв не был чем-то уникальным, это всего лишь один незначительный взрыв среди бесконечного числа других. Циклическая теория необязательно заменяет собой теорию Большого взрыва: она скорее пытается ответить на иные вопросы: например, что было до Большого взрыва и почему Большой взрыв привел к периоду быстрого расширения?

Одна из новых циклических моделей Вселенной была предложена Полом Стейнхардтом и Нилом Туроком в 2001 году. Стейнхардт описал эту модель в своей статье, которая так и называлась —  «Циклическая модель Вселенной» (The Cyclic Model of the Univers). В теории струн мембрана, или «брана», — объект, существующий в определенном количестве измерений. Согласно Стейнхардту и Туроку, видимые нам три пространственных измерения соответствуют этим бранам. Две трехмерные браны могут существовать параллельно, разделенные дополнительным, скрытым измерением. Эти браны — их можно воспринимать как металлические пластины — могут двигаться вдоль этого дополнительного измерения и сталкиваться друг с другом, создавая Большой взрыв, а значит, и вселенные (вроде нашей). При их столкновении события разворачиваются согласно стандартной модели Большого взрыва: создаются горячее вещество и излучение, происходит быстрая инфляция, а затем все остывает — и формируются такие структуры, как галактики, звезды и планеты. Однако Стейнхардт и Турок утверждают, что между этими бранами всегда присутствует некоторое взаимодействие, которое они называют межбранным: оно притягивает их друг к другу, из-за чего они снова сталкиваются и производят следующий Большой взрыв.

Модель Стейнхардта и Турока тем не менее оспаривает некоторые предположения модели Большого взрыва. Например, согласно им, Большой взрыв был не началом пространства и времени, а скорее переходом от более ранней фазы эволюции. Если говорить о модели Большого взрыва, то она гласит, что это событие положило непосредственное начало пространству и времени как таковым. Кроме того, в этом цикле сталкивающихся бран крупномасштабная структура Вселенной должна определяться фазой сжатия: то есть это происходит перед тем, как они столкнутся и произойдет очередной Большой взрыв. Согласно теории Большого взрыва, крупномасштабная структура Вселенной определяется периодом быстрого расширения (инфляции), который имел место вскоре после взрыва. Более того, модель Большого взрыва не предсказывает, сколько времени будет существовать Вселенная, а в рамках модели Стейнхардта продолжительность каждого цикла — примерно триллион лет.

Циклическая модель Вселенной хороша тем, что, в отличие от модели Большого взрыва, она может объяснить так называемую космологическую постоянную. Величина этой постоянной напрямую связана с ускоренным расширением Вселенной: она объясняет, почему пространство так быстро расширяется. Согласно наблюдениям, величина космологической постоянной очень мала. До недавнего времени считалось, что ее значение на 120 порядков меньше, чем предсказывает стандартная теория Большого взрыва. Эта разница между наблюдением и теорией уже давно представляет собой одну из самых больших проблем в современной космологии. Однако не так давно были получены новые данные о расширении Вселенной, согласно которым она расширяется быстрее, чем считалось. Остается ждать новых наблюдений и подтверждения (или опровержения) уже полученных данных.

Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии 1979 года, пытается объяснить разницу между наблюдением и предсказанием модели при помощи так называемого антропного принципа. Согласно ему значение космологической постоянной случайно и различается в разных частях Вселенной. Нас не должно удивлять, что мы живем в такой редкой области, где наблюдаем малую величину этой постоянной, так как только при этом значении могут развиваться звезды, планеты и жизнь. Некоторых физиков тем не менее такое объяснение не устраивает из-за отсутствия доказательств того, что в других регионах в наблюдаемой Вселенной эта величина отличается.

Похожая модель была разработана американским физиком Лэрри Эбботом в 1980-х. Однако в его модели спад космологической постоянной до низких значений был таким продолжительным, что все вещество во Вселенной за такой период рассеялось бы по пространству, оставив его, по сути, пустым. Согласно циклической модели Вселенной Стейнхардта и Турока причина, по которой величина космологической постоянной настолько мала, в том, что изначально она была очень большой, но со временем, с каждым новым циклом, уменьшалась. Другими словами, при каждом большом взрыве количество вещества и излучения во Вселенной «обнуляется», но не космологическая постоянная. На протяжении множества циклов ее значение падало, и сегодня мы наблюдаем именно эту величину (5,98 x 10-10 Дж/м3).

В одном из интервью Нил Турок высказался об их со Стейнхардтом модели циклической Вселенной так:
 
«Мы предложили механизм, в котором теория суперструн и М-теория (наши лучшие объединенные теории квантовой гравитации) позволяют Вселенной проходить через Большой взрыв. Но чтобы понять, полностью ли согласовано наше предположение, необходимы дальнейшие теоретические работы».

Ученые надеются, что с развитием технологий появится и возможность испытать эту теорию наряду с другими. Так, согласно стандартной космологической модели (ΛCDM) вскоре после Большого взрыва последовал период, известный как инфляция, который наполнил Вселенную гравитационными волнами. В 2015 году был зарегистрирован гравитационно-волновой сигнал, форма которого совпадала с предсказанием Общей теории относительности для слияния двух черных дыр (GW150914). В 2017 году за это открытие физикам Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Барри Бэришу присудили Нобелевскую премию. Также впоследствии были зарегистрированы гравитационные волны, исходившие от события слияния двух нейтронных звезд (GW170817). Однако гравитационные волны от космической инфляции еще не зарегистрированы. Более того, Стейнхардт и Турок отмечают, что если их модель верна, то такие гравитационные волны будут слишком малы, чтобы их можно было «засечь».