Первоначальные разработчики моделей мира на бране не намеревались применять свои идеи к космологии в полном смысле этого слова, за исключением попыток объяснить малое значение космологической постоянной. Они пытались отыскать способы объединить гравитацию с другими фундаментальными силами, не обращаясь к непроверяемой физике планковского масштаба. По сути, с помощью концепции дополнительного измерения, недоступного для обычной материи и энергии, они стремятся найти экспериментально проверяемые решения давних головоломок.

Стейнхардт, подходя к созданию миров на бране с другой стороны, стремился найти альтернативу теории вечной инфляции. Он хотел создать модель, которая могла бы воспроизвести известные космологические показатели и привести к плоской Вселенной с масштабно инвариантным реликтовым фоном. Эти размышления привели Стейнхардта к участию в разработке первых космологических моделей, связанных с миром на бране.

Стейнхардт, несмотря на свою глубокую связь с инфляционной космологией, не боялся отказаться от традиционных теорий в поисках новых решений. Хотя инфляционная модель продолжает привлекать внимание, а другие ее основатели, такие как Гут, Старобинский[144] и Линде, получают признание и награды, Стейнхардт был готов исследовать неизведанные территории. Его способность к переменам была, возможно, результатом его воспитания: как сын офицера военно-воздушных сил, он часто переезжал с места на место, пока его семья не обосновалась в Майами.

Стейнхардт с детства страстно увлекался астрономией. В подростковом возрасте у него был телескоп, и жаркими флоридскими ночами он любил выходить на улицу и наблюдать за небесными телами. Как он вспоминал, эти ночные наблюдения требовали не только терпения, но и надежной защиты от назойливых комаров, особенно когда он отправлялся в Эверглейдс[145], чтобы наслаждаться его ясным небом вдали от городских огней[146].

Рисунок 20. Космолог Пол Стейнхардт (справа), который в 1980‐х и 1990‐х годах разрабатывал варианты инфляционной модели Вселенной, а позже стал соавтором альтернативной инфляции экпиротической и циклической моделей Вселенной. На снимке он вместе с физиком Аланом Голдманом (слева) и будущим нобелевским лауреатом химиком Дэниелом Шехтманом (в центре) на заседании Американского физического общества в 1987 году. Источник: AIP Emilio Segrè Visual Archives

Впоследствии он получил позицию в Пенсильванском университете, где занимался квазикристаллами[147], а также участвовал в создании новой теории инфляции, а затем перешел на должность профессора в Принстон. Именно тогда, на рубеже тысячелетий, он начал задумываться о новом направлении своей работы в теоретической космологии.

Стейнхардт так вспоминал о своем пути к привнесению М-теории в исследование Вселенной:

Цель заключалась в поиске альтернативы стандартной космологии – инфляционной модели с Большим взрывом… Когда остается единственный кандидат, это может привести к стагнации. Гораздо более продуктивно иметь несколько конкурирующих теорий, которые побуждают к более тщательному анализу предсказаний и наблюдений. Это и стало основным мотивом для поиска чего-то другого. За предыдущие пять лет теория струн предложила множество интересных идей, таких как браны и дополнительные измерения. Эти концепции открыли новые возможности для переосмысления фундаментальной физики на микроскопическом уровне… Тогда я задался вопросом: можно ли использовать эти идеи для разработки альтернативной космологии?[148]

Возможность представилась, когда Стейнхардт был на конференции в Кембридже, где также присутствовали его коллега-космолог Турок и специалист по теории струн Оврут – интеллектуальное трио, которое вскоре полностью погрузится в теорию бран. Оврут выступил с докладом о слиянии бран в М-теории, подробно рассматривая последствия таких слияний для физики элементарных частиц. После лекции Стейнхардт и Турок стали расспрашивать его о космологических следствиях подобных столкновений. Во время совместной поездки на поезде из Кембриджа в Лондон три физика продолжили свой диалог, который Хоури, в то время студент Стейнхардта, в шутку назвал сеансом браншторма[149], и начали набрасывать основы космологии, основанной на столкновениях бран[150].

В поисках названия для своей идеи четверо ученых остановились на древнегреческом эзотерическом термине «экпирозис», означающем огненный конец космического цикла, возвещающий начало следующего. Экпиротическая Вселенная черпает свой огонь в катастрофическом столкновении между нашей браной и соседней. Согласно этому мрачному сценарию, способному вызвать кошмары у тревожных людей, соседняя брана всегда находится на небольшом расстоянии от нас в дополнительном измерении. Ее влияние проявляется через вездесущую темную энергию. Временами в прошлом, а возможно, и в будущем, она сталкивается с нашей браной, уничтожая все и делая пространство гладким и однородным. Колоссальная энергия, высвобождаемая при столкновении, порождает знакомый набор элементарных частиц. Вариации времени столкновения бран в разных областях приводят к появлению небольших температурных флуктуаций, которые можно обнаружить в реликтовом фоне. Это напоминает неравномерно помятый автомобильный бампер после медленного столкновения, когда различные части поверхностей касаются друг друга в разное время. Короче говоря, исследователи создали модель, которая должна была сохранить достоинства инфляции, такие как решение проблем плоскостности и горизонта, а также создание сходного профиля реликтового излучения благодаря эффектам синхронизации, но избавиться от балласта в виде постоянно воспроизводящихся пузырей, ведущих к бесконечной мультивселенной.

После первого предложения Стейнхардт и Турок разработали расширенную модель, названную циклической Вселенной, в которой предусматривались периодические столкновения между бранами на протяжении вечности. Эти катастрофические события происходили бы примерно раз в триллион лет – значительно дольше текущего возраста Вселенной, исчисляемого с момента Большого взрыва. В отличие от традиционной теории Большого взрыва, у циклической Вселенной не было бы ни начала, ни конца. Как заметил Стейнхардт, «отсутствие начала времени – это достоинство, потому что переход от отсутствия времени к его существованию кажется мне довольно странной идеей»[151]. Непосредственно перед каждым столкновением Вселенная (на нашей бране) должна сжиматься и разглаживаться. Важный аспект (с точки зрения Стейнхардта) в том, что фаза сжатия исключает возможность образования инфляционных пузырей. А без пузырьковой мультивселенной отпадает необходимость в антропных рассуждениях для сортировки альтернатив. Будет существовать только одна Вселенная (не считая другой браны).

Вот как Стейнхардт объясняет, как избежать инфляции и, соответственно, инфляционной мультивселенной:

Я осознал, что при сжатии Вселенной, предшествующем отскоку, мультивселенная возникнуть не может. Причина в том, что не запускается инфляция. Мультивселенная возникает из-за редких квантовых флуктуаций, которые обеспечивают продолжение инфляции: гравитация растягивает их до огромных масштабов, и вскоре они занимают бóльшую часть объема Вселенной. Затем новые квантовые флуктуации, накладываясь на старые, запускают повторение этого процесса.

В сжимающейся Вселенной тоже могут быть редкие флуктуации, которые поддерживают сжатие, но сжатие означает, что эти области никогда не станут значимыми по сравнению с теми, которые переживают отскок и начинают расширяться. Таким образом, мы сразу решаем проблему мультивселенной[152].

В феврале 2017 года Стейнхардт вместе с физиками Анной Иджас и Абрахамом «Ави» Лёбом опубликовали в журнале Scientific American критическую статью о вечной инфляции, предложив в качестве альтернативы теории типа Большого отскока, подобные циклической Вселенной. Они утверждали, что вечная инфляция, допускающая неограниченное число Вселенных, которые могут иметь необычайно широкий диапазон параметров, но при этом находятся далеко за пределами наблюдаемости, по сути, не поддается фальсификации.

Инакомыслие – здоровая часть науки, а отличие от доктринерства. На волне триумфа многие сторонники теории инфляции и теории струн утверждали, что это единственные возможные подходы. Ситуация напоминала то, как Эйнштейн цеплялся за локальный реализм и детерминизм, а Бор непоколебимо отстаивал квантовую роль сознательного наблюдателя. Хотя наука, возможно, когда-нибудь сможет экспериментально подтвердить гипотезы о вечной инфляции и объединении взаимодействий в рамках теории струн, это, скорее всего, случится не скоро. Тем временем Стейнхардт, Иджас и Лёб, осознавая важность критического подхода, посчитали своим долгом высказать собственное мнение. Они утверждали, что, не выдвигая проверяемых предположений, теория вечной инфляции выходит за рамки давно установившихся стандартов научного метода.

Сторонники инфляции восприняли это как вызов на бой: их заветную теорию, которая так хорошо соответствует результатам исследования реликтового фона и объясняет так много пробелов в первоначальной концепции Большого взрыва, назвали ненаучной. В том же журнале несколько месяцев спустя группа физиков, включая Хокинга и Линде, выступила с резким возражением, написав:

Утверждая, что инфляционная космология лежит вне научного метода, IS&L [авторы обсуждаемой статьи] отвергают исследования не только всех авторов этого письма, но и значительной части научного сообщества[153].

Действительно ли любая научная теория должна быть фальсифицируемой[154]? Хоури, ныне профессор физики в Пенсильванском университете, не считает это требование абсолютным. Спустя более двух десятилетий с момента выдвижения идеи экпиротической Вселенной он сохраняет открытость к альтернативным подходам. Хотя его все еще привлекают идеи Большого отскока, он признает убедительность инфляционных моделей, которые соответствуют параметрам реликтового фона. Он отмечает:

На мой взгляд, сама идея фальсифицируемости, возможно, наивна на каком-то уровне. В конце концов, мы доверяем одним теориям больше, чем другим, потому что они позволяют делать предсказания. Это прагматичный вопрос. Если вечная инфляция, даже при отсутствии прямого обнаружения других Вселенных, делает предсказания, которые подтверждаются, это укрепляет мою уверенность в этой теории.

Если бы вы сейчас провели среди космологов опрос, подавляющее большинство сказали бы, что верят в модель инфляции с медленным скатыванием. Почему? Потому что самые простые инфляционные модели предсказывают масштабно-инвариантные возмущения плотности. Предположим, что спустя десять лет мы обнаружим первичные гравитационные волны, согласующиеся с такой инфляцией. Тогда, я думаю, в сознании многих людей это поставит точку в вопросе об инфляции с медленным скатыванием…

Перспектива когда-либо построить коллайдер, способный непосредственно породить частицу инфлатона, практически равна нулю. Мы никогда не сможем проверить это напрямую. … Поэтому я думаю, что применять этот критерий к мультивселенной немного глупо[155].

Физик Бернард Карр согласен, что некоторые вполне приемлемые теории могут пока не давать проверяемых предсказаний. Что касается мультивселенной, он считает, что эта теория «находится на границе физики и философии».

«Я называю это метакосмологией, – отмечает он, – в том смысле, что у нас пока нет наблюдательных подтверждений для нее, но она вытекает из корректных космологических рассуждений»[156].

Несмотря на разногласия относительно того, насколько модели мультивселенной помогают решать космологические загадки, Стейнхардт, Хоури и Карр подчеркивают важность непредвзятого отношения к альтернативным теориям. Ни вечную инфляцию, ни космологию с отскоком пока нельзя считать завершенными физическими теориями. Обе предлагают идеи, которые еще не удалось фальсифицировать, такие как существование соседних пузырей или близких бран. До тех пор пока убедительные доказательства не подтвердят однозначную правоту одной из сторон, важно продолжать научную дискуссию в уважительном тоне.