Незадовго до своєї смерті фізик Стівен Гокінг разом з колегою Томасом Гертоґом розробили нову модель чи не найбільшої загадки в космології – космічної інфляції. Вона описана в статті «Гладенький вихід з вічної інфляції?» (A smooth exit from eternal inflation?), опублікованій 2 травня в «Journal of High Energy Physics». У ній учені аргументують, що інфляція (або експоненційне розширення Всесвіту) мала б відбуватися значно рівномірніше, ніж стверджують поширені нині теорії. Тобто малоймовірно, що навколо нас існує безліч на диво різноманітних світів, зазначив у статті Стівен Гокінг. Він помер 14 березня, не дочекавшись публікації.
Стівен Гокінг під час доповіді. Незадовго перед смертю подана до друку стаття про космічну інфляцію побачила світ лише 2 травня. Зображення: NASA/ Paul E. Alers.
Космічна інфляція – невід’ємна частина теорії Великого вибуху, що становить собою фундаментальну ланку сучасної космології. Згідно з нею, приблизно 14 мільярдів років тому відбувся вибух, з якого й народився сучасний Всесвіт.
Ідея про космічну інфляцію ввійшла в науку в 80-их роках ХХ століття завдяки працям американського фізика Алана Гута. Згідно з його припущенням, перед Великим вибухом космічний простір заповнювала матерія з незвичайною властивістю – замість того, щоби притягатися в результаті гравітації, вона відштовхувалася, через що космос зазнавав дуже швидкого розширення.
Весь космос на початку був завбільшки з атомне ядро водню. Та в результаті інфляції він за крихітні частки секунди досягнув розміру грейпфрута. Частки тієї дивної матерії, що розширювала простір, були нестійкі. За 10-32 секунди вони розпадалися на стабільніші частинки – сьогодні ми їх знаємо як те, з чого складається матерія та випромінювання.
Це і могло стати тієї експлозією, яку називають Великим вибухом, вважав Алан Гут. А коли забракло цієї матерії, що розштовхувала простір, інфляція згасла. Відтоді простір розширюється імпульсивно, більш-менш в тому темпі, який можна помітити сьогодні.
Теорія одноразової інфляції здатна пояснити чимало рис Всесвіту, які здавалися лише збігом обставин. Передусім, чому космос рівномірний і має подібну температуру, кількість та розташування галактик – і це незалежно від того, наскільки далеко ми в нього заглянемо. Якщо припустити, що спочатку інфляція була шаленою, то все стає на свої місця: те, що ми бачимо аж до найдальшого небокраю, – це збільшення невеликого фрагмента, який всередині не дуже відрізнявся. Ці дрібні відмінності збереглися донині, але сам розмір фрагментів дуже збільшився.
Проте як ця космічна інфляція відбувалася і що її живило, дотепер залишається нез’ясованим. Суперечливо й те, наскільки рівномірною була вибухова сила.
Крім того, теорія інфляції має одну слабину: темп розширення простору значно більший, ніж час розпаду дивної матерії, що живить інфляцію. Тобто, за умови цієї інфляції ніщо не може існувати впродовж тривалого часу. Навіть якщо в одній ділянці частки дивної матерії розпалися й інфляція припинилася, то сусідні ділянки мали би за цей час збільшити свій об’єм вдвічі. З часом і по сусідству частинки розпадалися, інфляція припинялася – і в океані загальної інфляції з’являлися бульбашки нормальної матерії, або ж інші всесвіти. Проте інфляція продовжувала розширювати простір, створюючи місце для наступних світів.
Першим, хто помітив цю властивість інфляції, був Андрій Лінде, фізик зі Стенфордського університету. Він виявив: якщо теорія інфляції правильна, то наш світ – один із багатьох, бульбашка, що з’являється разом з іншими.
Це процес вічної інфляції, в результаті якого розквітають нові світи, які творять глобальний мультисвіт або мультиверсум. За цим сценарієм наш Усесвіт мав би бути лише одною з багатьох космічних бульбашок, в яких інфляція закінчилася раніше. В інших, недосяжних для нас сферах, інфляція триває дотепер.
«Поширена теорія так званої вічної інфляції передбачає, що наш Усесвіт – це безконечний фрактал: складається з мозаїки різних кишенькових всесвітів, які розділені "океаном", що все ще розширюється експоненційно, – пояснив Стівен Гокінг на одній конференції наприкінці 2017 року. – Оскільки локальні закони фізики та хімії у кишенькових всесвітах відрізняються, разом вони утворюють своєрідний мультиверсум».
Згідно з поширеним припущенням, інфляція творить фрактальний Всесвіт з багатьма паралельними світами. Зображення: clipdealer.
Відповідно, одні з цих світів порожні, інші заповнені чорними дірами, ще якісь – тільки проникаючим випромінюванням. Зі слів Гокінга, він ніколи не був фаном такого мультиверсуму, бо якщо шкала відмінностей між окремими світами велика або навіть безконечна, то й теорію вічної інфляції неможливо ні перевірити, ні довести. Адже в такому випадку між різними світами мультиверсуму немає залежності. Вони відокремлені морем інфляції, їх розділяють відстані, які промінь світла ніколи не подолає. Тобто ми ніколи не зможемо щось про них дізнатися чи навіть довести їхнє існування, вважав учений.
Тож Гокінг і його колега Томас Гертоґ (Thomas Hertog) з Левенського католицького університету засумнівалися в ідеї вічної інфляції. В статті, написаній ще до смерті Гокінга та опублікованій лише 2 травня, учені пояснюють, чому існування багатьох різних всесвітів-бульбашок малоймовірне.
«У такому мультиверсумі все може статися. Та проблема полягає в тому, що ця гіпотеза практично не дає нам жодних вказівок чи прогнозів щодо нашого власного Всесвіту, тобто щодо того, що ми повинні споглядати в нашій власній, локальній бульбашці простору, – пояснив професор Гертоґ. – Натомість наша теорія може це поправити».
У своїй гіпотезі обидва вчені використали техніки, запозичені з теорії струн (зокрема голографічний принцип). Згідно з їхніми обрахунками, ідея мультиверсуму суперечить законові, який мав би діяти на переході від квантових процесів інфляції до класичної фізики в нормальному космосі. Тобто глобальна структура мультиверсуму, яка випливає з квантової інфляції, не може бути безконечною і дуже різнорідною.
«Проблема звичайного сценарію та, що він припускає існування своєрідного фонового Всесвіту, що розвивається за правилами Айнштайнової загальної теорії відносності. Квантові ефекти мали б бути лише його коливаннями, – пояснив Гертоґ. – Але динаміка вічної інфляції стирає межу між класичною фізикою та квантовою фізикою».
Що натомість відбувається за інфляції, Гокінг та Гентоґ вирахували з допомогою власної теорії голографічного Всесвіту. Відповідно до неї, тривимірну фізику нашого космосу можна описати проекцією крихітних двовимірних елементів. «Нам потрібне лише голографічне рівняння, аби вивчити вічну інфляцію в, так би мовити, іграшковому Всесвіті», – написали Гокінг та Гертоґ.
Їхній результат: всупереч сучасним сценаріям, інфляція призводить до значно менших коливань у великому масштабі. «Ми з’ясували, що амплітуди (…) експоненційно маленькі, – повідомили фізики. – На підставі цього ми дійшли висновку, що вічна інфляція продукує Всесвіти, які переважно є однорідними».
«Наші результати породжують сумніви щодо поширеної ідеї, що вічна інфляція створює великою мірою неоднорідні світи з мозаїчною структурою бульбашок-ланок, розділених інфляційними зонами, – пояснили вчені. – Наш космос – не фрактальна структура». Дослідники вважають, що космос – це низка набагато простіших, менших та однорідніших всесвітів.
Якщо їхнє припущення підтвердиться, ймовірність існування паралельних світів різко зменшиться. «Дотепер ми не натрапили на жоден інший світ, – написав Гокінг. – А наші результати засвідчують значне зменшення мультиверсуму, тож діапазон можливих паралельних усесвітів також став суттєво меншим».
Дотепер ні космічну інфляцію, ні її точний перебіг довести неможливо. Гіпотетичний сигнал цього експоненційного розширення в космічному фоновому випромінюванні трохи згодом виявився помилковим – замість інфляційних коливань науковці виміряли сигнал космічного пилу.
Теорію Гокінга та Гертоґа можна буде перевірити завдяки дослідженням гравітаційних хвиль. Учені сподіваються, що в майбутньому експерименти стануть простішими завдяки космічній обсерваторії LISA, й одного дня вдасться зафіксувати пережитки гравітаційних хвиль, які вивільнилися при космічній інфляції. Сучасним детекторам Ligo та Virgo це поки не до снаги.
Piotr Cieśliński, Ostatnia praca Stephena Hawkinga
University of Cambridge, 03/05/2018
Зреферувала С. К.
06.05.2018