Если вы попросите специалистов по космологии коротко ответить на вопрос о том, где мы находимся сейчас в их отрасли знаний, они скажут вам, что мы живем в особый период человеческой истории, когда благодаря значительным техническим достижениям у нас внезапно появилась возможность посмотреть на очень удаленную от нас по времени раннюю Вселенную, увидев то, что мы не могли видеть раньше. Например, мы можем получить моментальный снимок того, как выглядела Вселенная в младенчестве, когда формировались первые атомы. Мы можем получить моментальный снимок того, как выглядела Вселенная в отрочестве, когда формировались первые звезды и галактики. А теперь мы получаем подробное трехмерное изображение того, как наша Вселенная выглядит сегодня. Если сопоставить всю эту информацию, которую мы получаем впервые за всю историю человечества, у нас появится серия очень жестких ограничений любой модели космической эволюции.

Если вернуться к различным теориям эволюции космоса начала 1990-х годов, то мы увидим, что собранные за последнее десятилетие данные опровергли все эти теории, за исключением одной, которую сегодня считают общепринятой. Эта модель включает в себя сочетание из теории «большого взрыва» в том виде, в каком она разрабатывалась в 1920-е, 1930-е и 1940-е годы, инфляционной теории, предложенной в 1980-х годах Аланом Гутом (Alan Guth), и последних поправок, о которых я расскажу ниже. Данная общепринятая теория в мельчайших деталях соответствует нашим сегодняшним наблюдениям за Вселенной. По этой причине многие космологи делают вывод, что мы наконец открыли базовую космическую историю Вселенной.

Но у меня на сей счет иная точка зрения, которая сформировалась под воздействием двух событий. Первое — это недавние поправки, которые я упоминал выше. Хочу заявить, что это даже не поправки, а настоящее потрясение для наших представлений о времени и об истории космоса. Во-вторых, в прошлом году я участвовал в разработке альтернативной теории, которая переворачивает историю космического пространства вверх тормашками: все события, создавшие важные черты нашей Вселенной, происходили в ином порядке, по иным физическим законам, в другое время и других временных рамках. Тем не менее, эта модель способна воспроизвести все успешные прогнозы общепринятой картины — все в тех же мельчайших деталях.

Ключевое различие между этой и общепринятой теорией сводится к природе времени. В стандартной, или общепринятой модели время имеет начало, которое мы обычно называем «большим взрывом». Согласно этой модели, по непонятным для нас причинам Вселенная превратилась из ничего во что-то, наполнившись материей и энергией. И последние 15 миллиардов лет она расширяется и охлаждается. Согласно альтернативной модели, Вселенная бесконечна. Бесконечно и время, в том смысле, что оно всегда длилось в прошлом, и всегда будет длиться в будущем. И в некотором смысле пространство тоже бесконечно. В действительности три пространственных измерения остаются бесконечными на всем протяжении эволюции Вселенной.

Если говорить конкретнее, в данной модели предполагается, что эволюция во Вселенной циклична. То есть, Вселенная проходит эволюционные периоды — от раскаленного до холодного состояния, от плотного до рассеянного, от горячей радиации, до той структуры, которую мы наблюдаем сегодня, а затем до состояния пустоты. Потом начинается череда событий, в силу которых цикл происходит снова. Пустая Вселенная заряжается энергией, что приводит к новому периоду расширения и охлаждения. Процесс периодически повторяется и длится вечно. То, что мы наблюдаем сегодня, это просто очередной цикл.

Эта теория начинается с «большого взрыва». У Вселенной есть начало. Это стандартное предположение, которое люди выдвигают последние пятьдесят лет. Но в настоящее время мы не можем это доказать никакими фундаментальными законами физики. Далее, приходится исходить из того, что Вселенная началась с плотности энергии ниже критического значения. Иначе Вселенная прекратила бы расширяться и сокращаться до следующего этапа эволюции, называемого инфляционной эпохой. Кроме того, чтобы достичь инфляционной стадии, должна существовать некая энергия, приводящая в действие инфляцию. Обычно исходят из того, что здесь действует инфляционное поле. Приходится предполагать, что в тех участках Вселенной, которые появились при докритическом значении плотности, значительная часть энергии хранится в виде инфляционной энергии, чтобы она могла со временем обогнать Вселенную и начать период ускоренного расширения. Все это весьма разумные предположения, и тем не менее, это лишь предположения и не более того. Важно принимать во внимание эти предположения и их составляющие, потому что они помогают сравнивать общепринятую модель и альтернативную, которая ее оспаривает.

Если предположить, что эти условия соблюдены, получается, что инфляционная энергия через несколько мгновений догоняет материю и излучение. Начинается инфляционная эпоха, и расширение Вселенной стремительно и яростно ускоряется. Инфляция творит чудеса: она делает Вселенную однородной, она делает Вселенную плоской, и она оставляет после себя некоторые неоднородности, которые, как можно предположить, станут семенами для взращивания галактик. Теперь Вселенная готова вступить в следующий этап эволюции при наличии нужных условий. Согласно инфляционной модели, инфляционная энергия превращается в горячий газ, состоящий из материи и радиации. Примерно через секунду образуется первое легкое ядро. Спустя несколько десятков тысяч лет медленно движущаяся материя уже преобладает во Вселенной. На этих этапах формируются первые атомы, Вселенная становится прозрачной, и там начинает формироваться структура — первые звезды и галактики. До этого момента история довольно проста.

Но недавно было сделано открытие, говорящее о том, что мы вступили в новый этап эволюции Вселенной. После того, как сформировались звезды и галактики, произошло нечто странное, что снова вызвало ускоренное расширение Вселенной. Те 15 миллиардов лет, когда во Вселенной преобладали материя и радиация, и формировалась структура, ее расширение замедлялось, потому что материя и радиация внутри нее являются самопритягивающими и сопротивляются расширению Вселенной. До недавнего времени предполагалось, что материя будет и дальше преобладающей формой энергии во Вселенной, и что это замедление будет продолжаться вечно.

В этой новой модели мы подходим непосредственно ко Вселенной, где преобладает радиация, и где в избытке имеются ядра. Затем мы идем напрямую ко Вселенной, где преобладает материя и где формируются атомы, галактики и структура более крупного масштаба. После этого мы переходим к этапу Вселенной, на котором преобладает темная энергия. В стандартном случае темная энергия появляется неожиданно, поскольку ее нужно ввести в теорию, дабы она соответствовала тому, что мы наблюдаем. В циклической модели темная энергия выходит в центр сцены как ключевая составляющая, приводящая в движение Вселенную. Она действительно приводит Вселенную к циклической эволюции. Первое, что делает темная энергия, когда начинает преобладать во Вселенной, это то, что мы наблюдаем сегодня. Она вызывает ускоренное расширение Вселенной. Почему это важно? Хотя темпы этого ускорения на сто порядков меньше, чем ускорение при инфляции, если дать Вселенной достаточно времени, она сделает то же самое, что и инфляция. Со временем она разрежает материю и излучение во Вселенной, делая их все более и более однородными и равнонаправленными. Делает она это просто идеально, доводя ее по сути дела до состояния вакуума.

Сет Ллойд (Seth Lloyd) сказал, что внутри горизонта событий имеется 1080 или 1090 бит, но если посмотреть на Вселенную через триллион лет, мы в среднем не найдем внутри горизонта ни одного бита или найдем меньше одного бита. На самом деле, считая эти биты, важно понимать, что сейчас, когда Вселенная ускоряется, наш компьютер теряет биты внутри нашего горизонта. И мы наблюдаем это.

Вселенная становится не только однородной и равнонаправленной, она также становится плоской. Если бы у нее были какие-то отклонения или изогнутости, либо если бы в нашем представлении Вселенная расширялась длительный период времени, пространство стало бы крайне плоским. Конечно, если бы это продолжалось вечно, тут бы и истории конец. Но в данном сценарии, как и в инфляционном, темная энергия существует ограниченное время и вызывает серию событий, которые постепенно приводят к трансформации энергии из силы притяжения в новую энергию и излучение, а те в свою очередь начинают новый период расширения Вселенной. С точки зрения местного наблюдателя, все выглядит так, будто Вселенная проходит точные циклы. То есть, Вселенная как бы опустошается в каждом цикле, и создается новая материя и радиация, что в свою очередь ведет к новому периоду расширения. В этом смысле Вселенная циклична. Но если бы мы были наблюдателями глобального масштаба и могли видеть всю Вселенную, мы бы обнаружили, что в этой истории наши три измерения являются вечно бесконечными. Происходит следующее. На каждом этапе, когда создается материя и радиация, они разрежаются. Они есть, где-то там, но они становятся все разреженнее. С точки зрения местного наблюдателя, вселенная кажется цикличной, но в глобальном масштабе вселенная проходит устойчивую и ровную эволюцию. Это отчетливо выраженная эпоха, в которой от цикла к циклу со временем и по всем трем нашим измерениям нарастает энтропия.

Как именно это происходит, можно описать разными способами. Я предпочитаю представить весьма симпатичную геометрическую картину, побудительным мотивом для которой послужила теория суперструн. Мы пользуемся лишь несколькими базовыми элементами из теории суперструн, а поэтому в ней не нужно глубоко разбираться, чтобы понять, о чем я веду речь. Надо лишь понять, что те странные вещи, с которыми я вас познакомлю, я представляю не впервые. Они уже есть в теории суперструн, и ждут того, чтобы их использовали для полезного дела.

Затем сила между двумя этими бранами медленно сводит их вместе. По мере сближения бран эта сила увеличивается, и браны начинают устремляться друг к другу быстрее. Когда они сталкиваются, происходит мощный удар — достаточно мощный для того, чтобы создать высокую плотность материи и излучения с очень высокой, хотя и конечной температурой. Две браны разлетаются в стороны примерно туда же, где они были, а затем новая материя и радиация посредством притяжения заставляют браны начать новый период растяжения.

Из этой картины становится ясно, что Вселенная проходит через периоды расширения и весьма необычного сокращения. Там, где сходятся две браны, происходит не сокращение наших измерений, а сокращение дополнительного измерения. До сокращения вся материя и радиация распространяются, но в отличие от старых циклических моделей 1920-х и 1930-х годов, они не сходятся вместе во время сокращения, потому что три наших измерения, то есть браны, остаются в растянутом состоянии. Сокращается только дополнительное измерение. И этот процесс повторяется цикл за циклом.

Если сравнить циклическую модель и общепринятую картину, то получается, что две функции инфляции, а именно, сплющивание Вселенной и достижение ею однородного состояния, завершаются ко времени ускоренного расширения, которое у нас только что началось. Конечно, я имею в виду аналогичное расширение, произошедшее один цикл тому назад, до последнего взрыва. Третья функция инфляции — производство колебаний в плотной среде — осуществляется, когда две браны сходятся. По мере их сближения квантовые колебания начинают вызывать сморщивание бран. А поскольку они смяты и имеют складки, столкновение не везде происходит одновременно. Скорее, где-то оно случается раньше, а где-то позднее. Это значит, что некоторые области разогреваются до конечной температуры и начинают охлаждаться немного раньше других. Когда браны снова расходятся, температура во Вселенной не совсем однородна. Там имеются пространственные вариации, оставшиеся от квантовых складок.

Что примечательно, хотя эти физические процессы очень сильно различаются, как и временные рамки (все происходит на протяжении миллиардов лет, а не за 10-30 секунд), оказывается, спектр колебаний, который мы получаем при рассеивании энергии и температуры, практически такой же, как и при инфляции. Следовательно, циклическая модель вполне согласуется со всеми значениями распределения температуры и массы во Вселенной, которые мы имеем сегодня.