Теория большого отскока кратко

Обновлено: 05.07.2024

Пол Стейнхардт, один из создателей теории возникновения Вселенной в результате Большого взрыва, сейчас сам критикует ее. Он предлагает альтернативную модель — модель отскока, в которой Большой взрыв — не начало времени, а лишь последний из множества повторяющихся циклических процессов сжатия и расширения Вселенной. Подробнее об этой концепции рассказывает Quanta Magazine.

Общепринятая теория возникновения Вселенной звучит примерно так: около 14 миллиардов лет назад из ниоткуда материализовалась огромная масса энергии, всплеск которой в одно мгновение раздул Вселенную, как воздушный шар. В результате быстрого расширения кривизна разгладилась, а материя перемешалась, и сформировалась Вселенная в своем нынешнем виде — плоская и гладкая. Скопления частиц образовали галактики и звезды, но все они — лишь крошечные пятнышки на преимущественно однородном полотне космоса.

Эта теория, которая в учебниках обычно называется инфляционной моделью Вселенной , согласуется со всеми проводившимися до сих пор наблюдениями и пользуется доверием большинства космологов. Но не всех.

Пол Стейнхардт, один из авторов инфляционной модели, стал одним из главных ее критиков. Он отмечает, что, согласно этой модели, в большинстве областей пространства-времени расширение не прекратится никогда, поэтому неизбежно должна возникнуть мультивселенная с бесконечным количеством карманных вселенных, в одной из которых мы живем.

Стейнхардт и его коллеги приступили к разработке другого сценария возникновения нашей Вселенной, взяв за основу циклическую модель, согласно которой Вселенная проходит через последовательные стадии расширения и сжатия.

Их цель — доказать, что наша плоская и однородная Вселенная могла возникнуть и без взрыва.

Чтобы достичь своей цели, Стейнхардт и его коллеги объединились с учеными, занимающимися компьютерным моделированием. Они проанализировали, как меняется структура Вселенной при коллапсировании, и обнаружили, что модель сжатия работает лучше, чем модель расширения: как бы ни выглядела Вселенная до сжатия, коллапсирование сглаживает любые изначальные неровности.

Сужение горизонта

Последним плодом совместной работы Стейнхардта, Анны Ийас из Института гравитационной физики Общества Макса Планка и других ученых стала новая модель циклической Вселенной — экпиротическая модель , согласно которой Вселенная обновляется без коллапсирования.

Чтобы представить себе расширение и сжатие, можно вообразить Вселенную в виде шара.

Говоря об изменении размера Вселенной, как правило, упоминают лишь параметр масштабного фактора , тогда как второй параметр — радиус Хаббла (максимальное расстояние, на котором мы можем видеть объекты во Вселенной) — обходят вниманием. Общая теория относительности допускает изменение этих двух параметров независимо друг от друга, и, что самое главное, изменение любого из них приводит к плоской форме Вселенной.

Представьте, что вы сидите на воздушном шаре. Инфляционная Вселенная — это надувающийся шар. В ней пространство разглаживается и уплощается вследствие расширения. В циклической же Вселенной разглаживание происходит в период сжатия. На этом этапе шар незначительно сдувается, а область обзора сокращается очень сильно. Вы как будто смотрите через увеличительное стекло, которое становится всё более и более мощным. Радиус Хаббла уменьшается, поэтому окружающее пространство становится всё более однообразным.

По версии Стейнхардта и его коллег, Вселенная в течение примерно триллиона лет расширяется под влиянием некоего всепроникающего поля, под которым мы сегодня понимаем темную энергию. Когда это энергетическое поле становится разреженным, пространство постепенно начинает сжиматься. В течение миллиардов лет масштабный фактор уменьшается — частицы сближаются друг с другом, а радиус Хаббла сужается. Сжатие Вселенной перезаряжает энергетическое поле, которое затем нагревает пространство и испаряет его атомы. Происходит отскок — и начинается новый цикл.

В модели отскока микроскопический радиус Хаббла обеспечивает гладкость и плоскостность Вселенной. Инфляция раздувает многочисленные неровности, порождая мультивселенную, тогда как медленное сжатие устраняет их.

В результате получаем Вселенную без начала и конца — и никакой сингулярности, и никакой мультивселенной.

От любой Вселенной к нашей

Один из самых трудных моментов как в инфляционной модели, так и в модели отскока — это доказать, что их энергетические поля могут создать правильную структуру Вселенной.

Ийас и Стейнхардт критикуют инфляционную модель за то, что она работает только при определенных условиях. Они тщательно изучили все сценарии, которые можно рассчитать на бумаге.

А недавно, используя компьютерные симуляции (Ийас и Стейнхардт описали их в двух препринтах, опубликованных в июне), команда подвергла стресс-тесту свою модель медленного сжатия с группой маленьких вселенных, которую нельзя было испытать никаким другим способом.

Адаптировав под свои цели код, разработанный физиком-теоретиком из Принстонского университета Франсом Преториусом, команда исследовала искривленные и комковатые поля; поля, движущиеся в неправильном направлении; и даже поля, разные части которых движутся в противоположных направлениях.

Почти по всех случаях в результате сжатия образовывалась такая же скучная Вселенная, как наша.

Отношение к модели Ийас и Стейнхардта остается неоднозначным. Большинство космологов сходятся во мнении, что инфляционная модель по-прежнему не опровергнута.

Команда еще не описала все детали циклической Вселенной без взрыва и сжатия, не говоря уже о том, чтобы доказать, что мы в ней живем. Но Стейнхардт убежден, что в скором времени его модель станет жизнеспособной альтернативой мультивселенной.

Пытаясь понять, какова природа Вселенной, как она зародилась и что ее ждет в будущем, ученые порой строят необычные гипотезы и модели, такие как, например, теория Большого отскока.

У инфляционной модели множество поклонников, так как быстрое расширение, которое она постулирует, объясняет множество свойств Вселенной — вроде того, почему она выглядит относительно плоской (а не изогнутой, говоря о крупных масштабах) и равномерной во всех направлениях (повсюду в пространстве, во всех направлениях вещества примерно одинаково). Оба условия развиваются, когда области пространства, оказавшиеся далеко друг от друга, изначально располагались очень близко. Однако, похоже, последние версии теории предполагают — или даже требуют, — что инфляция создала не только нашу Вселенную, но бесконечный ландшафт вселенных, на котором образовались все возможные типы вселенных со всеми наборами физических законов и свойств. Некоторым ученым нравится такое предположение, так как оно может объяснить существование именно нашей Вселенной с на первый взгляд случайными, но идеально настроенными условиями для существования жизни. Если на таком ландшафте существуют все вообразимые и невообразимые типы космоса, то нет ничего удивительного, что среди них есть и наш. В то же время другие физики считают идею Мультивселенной отталкивающей — отчасти из-за того, что, если теория предсказывает осуществление всех возможных событий, она не будет однозначно предсказывать нашу Вселенную.

Итак, многие считают 2016 год моментом рождения Большого отскока, хотя сама концепция восходит еще к работам таких деятелей науки, как, в частности, Виллем де Ситтер и Георгий Гамов. Прорыв в разработке теории произошел благодаря двум техникам, примененным Туроком и Гиленом. Первая заключалась в использовании еще неполной теории квантовой космологии — смеси квантовой механики и Общей теории относительности — вместо описания Вселенной при помощи классической Общей теории. Вторая техника предполагала, что, когда пространство было совсем молодым, вещество вело себя как свет — в том плане, что законы физики, описывающие его, не зависели от масштабов. Например, свет действует одинаково вне зависимости от его длины волны. Однако физика вещества обычно отличается в зависимости от масштабов, о которых идет речь. По современным моделям, примерно первые 50 тысяч лет Вселенная была наполнена излучением, а обычного вещества, которое сегодня наблюдается повсюду в космосе, было немного. Последние модели Вселенной, образовавшейся в результате Большого отскока, указывают на то, что на ранних этапах она была безмасштабной.

Вместе с тем в 2016 году Пол Стейнхардт и Анна Иджас работали над другим способом математической демонстрации возможности отскока. Они ввели в модель Вселенной особый вид поля, в котором сжатие может перейти в расширение, прежде чем пространство станет достаточно малым, чтобы перейти в состояние сингулярности. В своем исследовании они использовали классическую Общую теорию относительности. Другими словами, этой работой они показали, что отскок возможен не только с точки зрения квантовой механики, но и с точки зрения теории относительности.

Как и другие гипотезы о происхождении и эволюции Вселенной, теория Большого отскока пытается выявить, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Модели, построенные физиками, отображают только идеализированные, абсолютно гладкие вселенные, в которых отсутствуют малые флуктуации плотности, приводящие к образованию звезд, галактик и реального пространства. Так что ученым еще предстоит развить модели Большого отскока до более сложных систем.

Сегодня, используя один исходный ингредиент (инфлатонное поле), инфляционные модели воспроизводят многие известные детали космоса. Но в качестве истории происхождения теория инфляции проигрывает во многом: непонятно, что ей предшествовало и было до. Многие теоретики полагают, что инфлатонное поле должно естественным образом вписываться в более полную, хоть и пока неизвестную, теорию происхождения времени.

За последние несколько лет все больше космологов стали осторожно пересматривать альтернативу. Говорят, что Большой Взрыв мог быть… Большим Отскоком. Некоторые космологи предпочитают видеть картину, в которой Вселенная расширяется и циклически сжимается словно легкое, отскакивая всякий раз, когда сжимается до определенного размера; другие же предполагают, что космос отскочил лишь раз — и что он сжимался до отскока в течение бесконечно долгого времени и будет расширяться бесконечно долго после этого. В любой модели время продолжает течь в прошлое и будущее без конца.

С современной наукой есть надежда разрешить эту древнюю дискуссию. В ближайшие годы телескопы должны найти убедительные доказательства космической инфляции. Во время первого буйного роста — если он был — квантовая рябь на ткани пространства-времени должна была растянуться и отпечататься в виде небольших завихрений в поляризации древнего света — космического микроволнового фона. Эксперименты с участием современных и будущих телескопов ищут эти завихрения. Если их не найдут за следующие несколько десятилетий, это также не будет означать, что теория инфляции неверна (в конце концов, эти завихрения могут слишком тусклыми), но зато укрепит позиции космологии отскока, по которой этих завихрений не должно быть.

Несколько групп ученых одновременно добились поразительного прогресса. В прошлом году физики определили два новых варианта возможного отскока. Одна из моделей, описанная в работе, появившейся в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, была представлена Анной Идджас из Колумбийского университета, в продолжение ее предыдущей работы совместно с космологом Полом Штейнхардтом. Неожиданно, но другое новое решение с отскоком, принятое к публикации в Physical Review D, было предложено Питером Грэмом, Дэвидом Капланом и Сурджитом Рахендраном, хорошо известной тройкой ученых, которые занимались больше вопросами физики частиц и не имели отношения к сообществу космологов отскока.

Вообще, этот вопрос приобрел новое значение в 2001 году, когда Штейнхардт и еще три космолога заявили, что период медленного сжатия в истории Вселенной может объяснить ее исключительную гладкость и плоскость, которые мы наблюдаем сегодня, даже после отскока — без необходимости подключать инфляцию.

Безупречная простота вселенной, тот факт, что ни одна область неба не содержит больше материи, чем любая другая, и что пространство настолько плоское, насколько могут видеть телескопы, — все это удивительно и необъяснимо. Чтобы космос был настолько однородным, каким он является, эксперты считают, что когда космос был сантиметр в поперечнике, он должен был иметь одинаковую плотность всюду в пределах одной части на 100 000. Но по мере роста из небольших размеров, материя и энергия должны были немедленно комковаться и искажать пространство-время. Почему же наши телескопы не видят вселенную, разрушенную гравитацией?

Однако откуда конкретно пришло это невероятно маленькое пятнышко и почему оно было таким гладким и плоским, никто не знает. Теоретики нашли много возможных вариантов включить инфлатонное поле в теорию струн, на основе которой может быть создана квантовая теория гравитации. Но пока нет фактов ни за, ни против этих идей.

Обе предложенных модели отскока используют бреши в теоремах о сингулярности — те, которые много лет казались тупиковыми. Космологи отскока давно признали, что отскоки могут быть возможными, если бы вселенная содержала вещество с отрицательной энергией (или другие источники отрицательного давления), которое бы противодействовало гравитации и отталкивало бы все. Ученые пытались использовать эту лазейку с начала 2000-х годов, но всегда приходили к тому, что добавление ингредиентов с отрицательной энергией делает их модели вселенной нестабильными, потому что квантовые флуктуации положительной и отрицательной энергии могут спонтанно рождаться в вакууме космоса с нулевой энергией. В 2016 году российский космолог Валерий Рубаков и его коллеги даже доказали теорему, которая исключила большой класс механизмов отскока.

Вообще все эти теории возникновения Вселенной, нашего мира и вообще всего сущего - это сказки, байки и придумки ученых. Ну как бы кто что придумает тот и молодец. Вернее после того, как ты что то придумал, надо еще придумать доказательства того что ты придумал на тех же придуманных принципах. Потом все это обрастает придуманными теориями и все получают за это награды и зарплату. Ну а что, разве не так?

Вот вам еще Шесть альтернатив теории Большого взрыва и еще конкуренты большого взрыва. Фантазия плещет через край как угодно.

Как вы знаете, наиболее популярной и общепринятой теорией на сегодня считается космическая инфляция, согласно которой за несколько первых долей секунды после Большого взрыва все пространство-время пережило период невероятно быстрого расширения. Однако есть и другие конкурирующие идеи.

Например, согласно циклической модели Вселенной нашему пространству-времени предшествовало другое, которое пережило период Большого сжатия и потом заново взорвалось — его мы сегодня и можем наблюдать.

Итак, многие считают 2016 год моментом рождения Большого отскока, хотя сама концепция восходит еще к работам таких деятелей науки, как, в частности, Виллем де Ситтер и Геогий Гамов. Прорыв в разработке теории произошел благодаря двум техникам, примененным Туроком и Гиленом. Первая заключалась в использовании еще неполной теории квантовой космологии — смеси квантовой механики и Общей теории относительности — вместо описания Вселенной при помощи классической Общей теории. Вторая техника предполагала, что, когда пространство было совсем молодым, вещество вело себя как свет — в том плане, что законы физики, описывающие его, не зависели от масштабов. Например, свет действует одинаково вне зависимости от его длины волны. Однако физика вещества обычно отличается в зависимости от масштабов, о которых идет речь. По современным моделям, примерно первые 50 тысяч лет Вселенная была наполнена излучением, а обычного вещества, которое сегодня наблюдается повсюду в космосе, было немного. Последние модели Вселенной, образовавшейся в результате Большого отскока, указывают на то, что на ранних этапах она была безмасштабной.

Читайте также: