Новая Модель Вселенной

«Самое непостижимое в мире – то, что он всё-таки постижим».
А. Эйнштейн

Согласно современной или инфляционной модели Вселенной до момента Большого Взрыва (БВ), произошедшего около 14 миллиардов лет тому назад, ничего не было. На языке физики мы могли бы сказать, что Big Bang произошёл из космологической сингулярности в результате квантовых флуктуаций вакуума. После взрыва Вселенная прошла через несколько этапов своего развития – образовались фотоны (частицы света), возникли различные частицы – электроны, протоны, ядра, атомы, молекулы, звёзды, галактики. Разбегание галактик было открыто американским астрофизиком Э. Хабблом в 1929 г. Наша Вселенная расширяется, и сегодня она достигла гигантских размеров. Согласно эмпирическому закону Хаббла, чем больше расстояние между галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Этот закон позволяет определить не только возраст Вселенной, но и её размеры. Возраст Вселенной был определён Хабблом из линейной зависимости между скоростью разбегания галактик и расстоянием между ними. Наклон этой прямой связан с возрастом Вселенной и таким образом 14 млрд. лет – это результат измерений, а не предсказаний.

Вселенная состоит из 100 миллиардов галактик, в каждой галактике содержится 100 миллиардов звёзд. Эти результаты получены с помощью измерений и использования соответствующих законов физики. Полное число звёзд таким образом равно единице с 22 нулями после неё. Чтобы представить себе это гигантское число, т.е. понять как много звёзд в нашей Вселенной, его обычно сравнивают с числом песчинок на всех пляжах Земли. Наше Солнце лишь одна из звёзд (одна песчинка), вокруг которого вращается восемь планет, включая нашу Землю.

Жизнь на Земле возникла около 4 миллиардов лет тому назад, когда появились соответствующие для этого условия, и жизнь прошла гигантский путь развития – от одноклеточных сине-зелёных бактерий до современного человека. Любопытно, что все виды растений и животных произошли от одного и того же корня дерева жизни, а разнообразие видов связано с различными условиями обитания живых структур. Другое интересное открытие связано с существованием в нашей Вселенной тёмной материи и тёмной энергии, которые составляют 95% всей её массы. Если природа тёмной материи более или менее понятна, роль тёмной энергии ещё предстоит нам изучить.

Эта энергия обладает антигравитационными свойствами, поэтому её ещё называют силой отталкивания в отличие от гравитационных сил притяжения. Эти силы – причина, почему галактики не только разбегаются, но и удаляются с ускорением (сила, как известно, – причина ускорения). Эта модель допускает существование множества вселенных (the multiverses), которые как пузыри, отделяются от существующих. Однако она не объясняет, что же было до БВ, а также противоречит одному из важнейших законов природы – второму закону термодинамики, согласно которому энтропия мира (т.е. количество хаоса) должна быть минимальна в момент БВ и увеличиваться со временем. Иначе говоря, в инфляционной модели энтропия не могла быть минимальной в момент взрыва и полного хаоса.

Новая модель Вселенной была создана в 2010 г. английским учёным, сэром Р. Пенроузом из Оксфордского университета совместно с доктором физ.-мат. наук В. Гурзадяном из Ереванского Физического института. Королева Англии присвоила Пенроузу рыцарский титул за его многочисленные исследования и разработку новой модели Вселенной. И хотя, согласно утверждению М. Риса, президента Лондонского Королевского Общества, «Мы никогда не поймем, как устроена Вселенная», учёные пытаются всё же решить проблему её возникновения и развития и мысль Райса лишь подчёркивает сложность проблемы. Основная идея новой модели, которая в отличие от инфляционной называется циклической, состоит в том, что одна и та же Вселенная проходит через циклы и повторяет сама себя через огромные промежутки времени, которые Пенроуз назвал эонами. Таких эонов уже было множество. Возможно, даже бесконечное количество и в этом смысле наш мир существовал всегда, проходя через череду взрывов, т.е. сингулярностей и расширений. Наш мир – это мир без начала и конца и проходит, таким образом, через бесконечное число циклов. Разумеется, нужны были доказательства существования таких циклов. Пенроуз обратился к доктору Гурзадяну с просьбой найти доказательства циклической модели.

В нашей Вселенной имеется остаточное (реликтовое) излучение, возникшее в результате БВ и открытого двумя американскими учёными Arno Penzias and Robert Wilson. Они получили Нобелевскую премию в 1978 г. за это открытие. Реликтовое излучение – это остаточное излучение после БВ, сохраняющее информацию о взрыве, зарождении Вселенной и её развитии. Это открытие является блестящим подтверждением, что БВ имел место. Имеется также несколько других факторов, подтверждающих реальность БВ. Учёные детально исследовали это излучение и в частности, определили с его помощью температуру космоса в настоящее время, которая оказалась всего околo 3 К, что соответствует минус 270 С, хотя в момент взрыва температура космоса была разумеется чрезвычайно высокой. Это излучение показывает неоднородное распределение температуры внутри Вселенной и является ценным источником сведений о ранней Вселенной. Уменьшение температуры космоса произошло за счёт его расширения, что привело его в конечном счёте в состояние с огромным размером и почти нулевой плотностью. Со временем космос станет холодным и тёмным и как бы «растворится» в пространстве в результате своего расширения.

Конечный этап эволюции звезды – коллапс за горизонт событий чёрной дыры (ЧД). При этом сами чёрные дыры будут медленно испаряться и новая Вселенная может родиться вновь в результате мощного столкновения ЧД, т.е. превращения материи в энергию в соответствии с известным соотношением между энергией и массой Е = мс². Вселенная окажется в состоянии с гигантской плотностью и почти нулевым радиусом (сингулярность) и в момент перехода ЧД испарятся. По весьма любопытному замечанию Пенроуза растянутый БВ и сжатая бесконечность выглядят одинаково. Внутри чёрной дыры, как известно, время отсутствует и там имеется сингулярность. Когда вы приближаетесь к ЧД, ход ваших часов замедляется. Это явление называется парадоксом часов (the time diletion) – один из важных выводов теории относительности Эйнштейна. Внутри же ЧД время останавливается, и ваши часы не будут регистрировать ход времени. Находясь внутри ЧД, вы могли бы там жить вечно. Это связано с невозможностью выйти за пределы ЧД, если ваша скорость меньше скорости света. Движение же со скоростью света останавливает ход времени. Таким образом, новая Вселенная появляется из сингулярности как результат нового взрыва. Таких взрывов, согласно теории Пенроуза, могло произойти огромное количество. Пространство и время при этом появляются одновременно и согласно Эйнштейну они не могут существовать после взрыва в отдельности. На вопрос, что было до БВ согласно циклической модели можно ответить так – существовала другая, предыдущая Вселенная.

Эти круги с общим центром, наблюдаемые в реликтовом излучении космоса, – результат нескольких БВ, разделённых друг от друга эоном. Сами круги – следы гигантской катастрофы, т. е. результат слияния чёрных дыр и образования новой Вселенной.

Получит ли циклическая модель всеобщее признание, какое получила в настоящее время инфляционная модель Вселенной? Некоторые учёные скептически относятся к этой модели, и в частности, много сомнений высказывается по поводу наличия концентрических кругов в реликтовом излучении, которые многие исследователи не наблюдали. Независимые наблюдения реликтового излучения рядом учёных не показали, что эти круги на самом деле существуют.

Пенроуз и Гурзадян их наличие связывали с использованием другой статистики и новой методики анализа данных. Профессор кафедры физики и астрофизики Принстонского университета П. Штейнхардт в очень интересной аналитической статье “The Cyclic Universe” подробно анализирует обе модели Вселенной и заключает, что они существенно отличаются друг от друга, особенно когда рассматривается природа времени: в циклической модели время и пространство существуют бесконечно и в ней нет ни начала, ни конца времени. Вселенная в этой модели возрождается каждые примерно 8.6 миллиардов лет, тогда как в инфляционной модели было начало времени (Big Bang), Вселенная спустя триллионы лет постепенно «растворится» в пространстве и исчезнет.

По Пенроузу the Universe bounces, т.е. появляется и исчезает. Она появляется from nothingness into somethingness, full of matter and energy. Обе модели имеют ряд достоинств и недостатков. Какая из них окажется реалистичной покажут будущие исследования нашей Вселенной. Важную роль могут сыграть исследования гравитационных волн, т.е. наличие флуктуаций, возникающих в структуре пространства-времени. Согласно инфляционной модели гравитационные волны являются существенными и могут быть обнаружены, тогда как в циклической модели они очень слабые (ultraslow) и поэтому их трудно измерить.

В 2015 г. ровно через 100 лет со времени предсказания Эйнштейном в 1915 г. гравитационных волн, они были обнаружены в США двумя группами физиков из Ливингстон, Луизиана и Харфорд, Вашингтон. Эти волны возникли в результате слияния двух чёрных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс, происшедшее 1.3 миллиардов лет тому назад. В результате их слияния 3 масс Солнца перешли в энергию в гравитационных волн в соответствии Е = Мс², которые и были обнаружены.

Илья Гулькаров