Сліди Всесвіту до Великого вибуху?

Пйотр ЦЄСЛІНСЬКИЙ

Колись Всесвіт наповнить океан холодного випромінювання. А коли розпадеться остання масивна частка, час перестане існувати. Британський фізик і математик Роджер Пенроуз висунув контроверсійну теорію, згідно з якою Всесвіт ніколи не народжувався і не загине. Натомість він проходить вічні цикли, які Пенроуз називає еонами, кожен з яких закінчується Великим вибухом.

Сер Роджер Пенроуз — професор-емерит Оксфордського університету, один із найвидатніших фізиків і математиків нашого часу. Свої найвищі нагороди — Премію Вольфа і дворянський титул від британської королеви — Пенроуз отримав за працю в галузі загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна.

Він першим висловив припущення, що в центрі чорної діри з’являється сингулярність — точка, в якій густина матерії стає безконечно велика. Згодом разом зі Стівеном Гокінгом він доводив, що з рівнянь Ейнштейна випливає, що на початку свого існування Всесвіт перебував у схожому екстремальному стані: він був безконечно густим і безконечно гарячим. Можна було б сказати — Пенроуз математично довів, що Всесвіт мав початок.

Але у своїй новій теорії, яку він опрацював 2006 року й назвав “циклічною конформною космологією”, Пенроуз радикально відійшов від цієї ідеї. Великий вибух справді був початком, але початком не Всесвіту як такого, а лише одного з циклів, званих еонами, яких може бути безмежна кількість.

Що стверджує ця теорія? Із астрофізичних спостережень випливає, що Всесвіт щораз швидше розширюється, стає більшим та холоднішим. Всі зорі, зокрема наше Сонце, колись вичерпають запаси термоядерного палива і згаснуть. Згодом уся матерія впаде в чорні діри, які зрештою також зникнуть, емітуючи випромінювання, яке називається радіацією Гокінга. Коли це настане, Всесвіт заповнюватиме лише океан випромінювання, температура якого поступово наближатиметься до абсолютного нуля. Це, однак, дуже далека перспектива, від якої нас відділяє неймовірна кількість років.

“Час в цю епоху вже не матиме значення, — каже Пенроуз. — Бо тоді, коли зникне остання масивна частка і залишиться лише випромінювання, часу вже не буде”.

Це один із дивовижних наслідків теорії відносності Альберта Ейнштейна. Кванти випромінювання рухаються у вакуумі зі швидкістю світла. Час для них не існує. А оскільки у Всесвіті не буде нічого, окрім випромінювання, то не буде й часу.

Якщо не буде часу, то втратить сенс і поняття відстані. Не буде жодних матеріальних об’єктів, щодо яких можна буде міряти відстань, а також годинника, який засікав би час. Тож геометрія космічного простору не матиме окресленої шкали.

Такий заповнений випромінюванням Всесвіт, доводить Пенроуз, дуже нагадуватиме той стан, в якому він існував у момент Великого вибуху, коли також переважало випромінювання (і лише внаслідок чергових фазових переходів народилися нові частки). Отже, два стани космосу — у далекому майбутньому і минулому — насправді цілком однакові.

На перший погляд здається, що перший відрізняється від другого розміром, оскільки в момент Великого вибуху вся матерія була сконцентрована в невеликому об’ємі, а потім почала прискорено розширюватися. Але, як зауважує Пенроуз, з обох боків космічної еволюції існує лише випромінювання, а поняття часу і простору втрачають будь-який сенс, тож стає неможливо порівнювати розміри. З математичного погляду (а особливо внаслідок конформного перетворення) отримуємо цілковито те саме.

Тож науковці припустили, що розширення Всесвіту і безмежна та холодна пустка, яка виникає наприкінці цього процесу, може в далекому майбутньому перейти в новий Великий вибух (Пенроуз, однак, детально не пояснює, як це відбувається. Він лише каже, що відповідь, найімовірніше, слід шукати в майбутній квантовій теорії гравітації). І так безконечно: наприкінці кожного чергового еону настає Великий вибух і народження нового еону.

“Перевагою цієї теорії є те, що її можна довести або спростувати емпірично, — казав Пенроуз. — Якщо ми аналізуватимемо космічне мікрохвильове випромінювання, то, згідно з моєю моделлю, ми врешті повинні виявити в ньому певні сигнали”.

Космічне мікрохвильове випромінювання походить з дуже раннього періоду існування Всесвіту — лише через 400 тисяч років після Великого вибуху. Його відкрили випадково в 60-х роках минулого століття й воно несе найстаріший образ космосу, яким ми володіємо.

Пенроуз вважає, що в цьому випромінюванні повинні зберегтися сліди подій з попереднього еону, ще до Великого вибуху. І, дійсно, співробітники професора Пенроуза знайшли сліди таких подій попередніх епох.

Мапа космічного мікрохвильового випромінювання, яку створили завдяки телескопу “Планк”. Це випромінювання температурою усього 2,7 К понад абсолютний нуль виникло лише через 400 тисяч років після Великого вибуху. Блакитним зазначені місця, де воно трішки холодніше за своє середнє значення.

Три роки тому Деніел Ен з Нью-Йоркського університету, Кшиштоф Мейснер з Варшавського університету та Певел Нуровскі з Центру теоретичної фізики Польської академії наук у Варшаві виявили характерні кола на найдетальнішій досі мапі космічного мікрохвильового випромінювання, яку створив європейський космічний зонд “Планк”.

Згідно з теорією Пенроуза, ці кола — еха гравітаційних хвиль, які в попередньому еоні спричинив якийсь великий космічний катаклізм, наприклад, зіткнення двох супермасивних чорних дір.

Проте ці концентричні кола — це ще не все. Попередній еон міг залишити й інші сліди у випромінюванні фону, а саме гарячі місця, названі “пунктами Гокінга”. Це ділянки, які “підігріваються” випромінювання Гокінга, котре емітували супермасивні чорні діри, які випарувалися в попередньому еоні.

На початку серпня на сервісі Arxiv.org з’явилася праця, автори якої доводять, що завдяки зонду “Планк”, власне, відкрили такі гарячі пункти на мапі космічного мікрохвильового випромінювання. Авторами праці, яку присвятили Стівенові Гокінгу, стали Роджер Пенроуз, Деніел Ен та Кшиштоф Мейснер. Вважається, що стандартна теорія Великого вибуху не може пояснити таких гарячих пунктів.

Багато фізиків, однак, сумніваються в результатах аналізу Пенроуза та його колег. Вони підкреслюють, що візерунки на мапі космічного мікрохвильового випромінювання можуть бути лише випадковістю — статистичною флуктуацією. Наразі невідомо, як цю проблему вирішити: ці гарячі пункти — це реальний ефект чи лише статистична fata morgana?

Однак погляд на Всесвіт, який осцилює від Великого вибуху до Великого вибуху, зачаровує. Якщо це вічний процес з безконечною кількістю наступних еонів, то врешті-решт повинен повторитися точно такий самий світ, в якому ми зараз живемо. Ба більше: може, появиться набагато кращий світ, а наше життя буде позбавлене теперішніх його неприємностей. Але, зрозуміло, в ньому будуть і якісь свої проблеми. Хай там як — чекаймо на наступний еон!