Идея непредвзятого отношения к альтернативным теориям также очень близка Роджеру Пенроузу, который в юности восхищался тем, как его наставник по физике Деннис Сияма перешел от теории стационарного состояния к теории Большого взрыва, как только появились убедительные свидетельства последней. «Деннис был абсолютно прям и честен, каким и должен быть ученый, и я испытывал к нему огромное уважение», – отмечал он[157].
Интересно, что Пенроуз начинал не как физик. Его образование было скорее математическим. Он родился в Колчестере, Англия, 8 августа 1931 года в семье врача Маргарет Литес и медицинского генетика Лайонела Пенроуза. Однако когда пришло время выбирать карьеру, Роджер пошел по стопам своего старшего брата Оливера и решил заняться чистой математикой. Получив степень бакалавра в этой области в Университетском колледже Лондона, Пенроуз поступил в Кембридж на докторскую программу. Там он встретил Сиаму, который вдохновил его углубиться в общую теорию относительности. Позже Пенроуз создал теоремы о сингулярности черных дыр и внес значительный вклад в теоретическую астрофизику и космологию, что принесло ему Нобелевскую премию по физике в 2020 году.
В последние годы Пенроуз стал сторонником особой модели реальности – конформной циклической космологии. Она обновляет гипотезу кривизны Вейля (ГКВ) за счет использования конформной инвариантности (эквивалентности геометрий на разных масштабах при сохранении форм). Это позволяет связать конец текущего эона (так Пенроуз называет каждый цикл) с началом следующего. Как обсуждалось в четвертой главе, ГКВ предполагает, что в начале Большого взрыва энтропия дожна быть равна нулю.
Рисунок 21. Британский математик и физик-теоретик Роджер Пенроуз, доказавший важнейшие теоремы общей теории относительности, один из лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года и автор идеи конформной циклической космологии. Источник: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection
К этой концепции Пенроуза подтолкнула ключевая идея, предложенная одним из его бывших студентов, оксфордским математиком Полом Тодом. Кривизна Вейля служит мерой закрученности пространства-времени. Если она равна нулю, что соответствует эмбриональному состоянию нулевой энтропии, то пространство расширяется чисто изотропно, а линии расширения выглядят как прямые лучи, сходящиеся к одной точке, напоминая спицы колеса. Тод отметил, что в условиях конформной инвариантности такое состояние было бы полностью эквивалентно огромной пустой Вселенной, переживающей свою мрачную кончину. Иными словами, поскольку конформная инвариантность сохраняет форму, но не размер, малые и большие изотропно расширяющиеся пространства будут эквивалентны.
Пенроуз ухватился за предложение Тода и стал размышлять о том, какой будет финальная стадия развития космоса. Представьте себе будущее, отделенное от нас миллиардами лет. Солнце и близкие по массе звезды стали крошечными белыми карликами. Более массивные звезды взорвались во вспышках сверхновых и превратились в нейтронные звезды или черные дыры. Проходят еще миллиарды лет, и даже белые и красные карлики достигают теплового равновесия с холодным вакуумом. Вселенная превратилась в мертвое пустое пространство, заполненное лишь остатками звезд и черными дырами. Однако из-за медленного излучения Хокинга черные дыры постепенно теряют свою массу. Космическое пространство становится все более и более пустынным на фоне продолжающегося ускоренного расширения Вселенной. В еще более отдаленном будущем все элементарные частицы, согласно теории великого объединения, распадутся, и останется одно лишь холодное электромагнитное излучение. В конце концов космос окажется пустым, если не считать слабого фонового излучения[158]. Это состояние абсолютного запустения – эпоха без частиц, материи и перемен – привело бы к своеобразному кризису идентичности Вселенной. Она внезапно «забыла» бы о своих размерах благодаря отображению большого в малое в процессе конформной инвариантности[159]. Вместо большой старой пустой Вселенной она превратилась бы в маленькую, полную жизни и равномерно расширяющуюся молодую Вселенную. После обнуления тензора Вейля энергия снова становится организованной, зарождаются новые частицы. Вселенная перезагружается – начинается новый космический эон, и время обнуляется.
Модель Пенроуза, подобно циклической модели Стейнхардта и Турока, не нуждается в инфляционной эпохе для уплощения и выравнивания Вселенной после Большого взрыва (или перехода). В этом сценарии эти процессы происходят еще в сумерках предыдущего эона благодаря ускоренному расширению пространства. Хотя среди множества математических моделей Вселенной многие не подкреплены четкими наблюдательными предсказаниями, конформную циклическую космологию выделяет наличие проверяемой гипотезы. В 2010 году армянский физик Ваха Гурзадян и Пенроуз выдвинули конкретное предсказание: столкновения сверхмассивных черных дыр в предыдущем эоне могли оставить следы в тепловом излучении, видимые в нашем эоне. Сверхмассивные черные дыры – это гигантские тела, в миллионы раз массивнее обычных черных дыр (звездного происхождения). Они находятся в центрах галактик, таких как Млечный Путь. Как было подсчитано, в результате их столкновений на реликтовом фоне должен оставаться похожий на бычий глаз отпечаток – концентрические круги с заметно меньшими температурными флуктуациями. Внешне эти отклонения выглядят как кольца внутри колец. Гурзадян и Пенроуз утверждали в своей статье, что, применив свой анализ к семилетнему массиву данных WMAP, они нашли несколько примеров таких концентрических кругов в реликтовом фоне. Это заявление вызвало резонанс, а новость быстро разошлась по СМИ. Статья о кольцах, опубликованная в BBC News 27 ноября 2010 года, гласила: «Космос может показывать отголоски событий, предшествовавших Большому взрыву»[160].
После публикации заявления Пенроуза и Гурзадяна несколько независимых исследовательских групп провели собственный статистический анализ, чтобы проверить существование концентрических кругов, которые, как предполагалось, могут быть следами предыдущего эона. Однако их выводы оказались противоположными. Все группы пришли к выводу, что обнаруженные круги не представляют собой ничего необычного. Их характеристики полностью соответствовали ожидаемым флуктуациям в рамках стандартной космологии Большого взрыва, включающей темную материю, темную энергию и раннюю инфляционную эпоху. Таким образом, обнаруженные данные не дали подтверждения предсказаниям конформной циклической космологии.
Не сдаваясь под напором возражений, Пенроуз вместе с коллегами, включая Дэниела Ана, Кшиштофа Мейсснера и Павла Нуровски, утверждали, что на реликтовом фоне можно найти еще одну отметину, указывающую на предыдущий эон. Они обнаружили в данных спутника «Планк» предполагаемые примеры так называемых точек Хокинга – пятен, связанных с излучением Хокинга, которые медленно испускали испарявшиеся сверхмассивные черные дыры в прошлом эоне. Однако и эта гипотеза была опровергнута. Статистический анализ, проведенный канадскими астрофизиками Диланом Джоу и Дугласом Скоттом, опубликованный в 2020 году, не выявил никаких признаков присутствия точек Хокинга.
Еще одна известна группа, которая выступает против теории струн и инфляционной модели Вселенной (по крайней мере, в ее традиционном понимании), представлена сообществом сторонников петлевой квантовой космологии. Это направление, основанное на петлевой квантовой теории гравитации, было разработано такими физиками, как Абей Аштекар, Ли Смолин и Карло Ровелли, начиная с конца 1980‐х – начала 1990‐х годов. Петлевая квантовая гравитация стремится создать геометрическую основу для полностью квантовой теории гравитации. Она заменяет непрерывное пространство-время гибкими сетями соединений наподобие детского строительного набора с палочками и зажимами и использует различные конфигурации этих сетей в качестве основы для квантового представления гравитации, которое заменяет общую теорию относительности при высоких энергиях. В рамках этого подхода строгого следуют цели Джона Уилера: описать квантовые флуктуации геометрии на мельчайших масштабах – ту самую квантовую пену, о которой шла речь в четвертой главе.
В 1999 году немецкий физик Мартин Бойовальд предложил способ применения петлевой квантовой гравитации ко всей Вселенной, что привело к возникновению петлевой квантовой космологии. Позднее значительный вклад в развитие этой теории внесли Абей Аштекар и другие ученые. Одно из ее ключевых предсказаний состоит в том, что квантовая гравитация устраняет сингулярность Большого взрыва, заменяя ее аморфным началом эпохи расширения космоса. В тот момент, согласно этой теории, Вселенная представляла собой квантовый хаос флуктуирующих геометрических сетей, а не гладкое пространство-время, как в общей теории относительности. Из-за этой хаотичности в прошлом физические величины, такие как плотность энергии, никогда уходили в бесконечность, как это предсказывает традиционная модель Большого взрыва. Более того, этой пенной фазе предшествовал период космического сжатия. Это можно представить как сжатие большого шара пены до крошечного размера, а затем его возвращение к первоначальному размеру после отпускания. Таким образом, вместо взрыва произошел отскок, в котором космологическое сжатие сменилось расширением Вселенной.
Как и конформная циклическая космология, петлевая квантовая космология дает предсказания относительно реликтового фона. В 2015 году физик Айван Агуилло из Университета штата Луизиана рассчитал, что переход от сжатия к расширению оставит заметные растяжки в частотном спектре реликтового излучения. Он предположил, что такие следы могут проявиться в виде аномального искажения спектральных данных, собранных, например, спутником «Планк». Это отклонение было бы малозаметным, и его можно было бы обнаружить только с помощью статистического анализа. В 2023 году исследователи Бартьян ван Тент, Паола К. М. Дельгадо и Рут Дюррер опубликовали результаты тщательного изучения данных «Планка», которые, как оказалось, исключают наличие подобного эффекта. Уровень надежности статистического анализа они оценили как практически железный.
«Конечно, возможно, это можно объяснить за счет исключительно быстрого, сверхэкспоненциального, распада [искомого эффекта в реликтовом фоне вследствие отскока], – пишут они. – Тем не менее наш вывод кажется вполне обоснованным»[161].
В 2018 году физики Лэтэм Бойл, Киран Финн и Нил Турок предложили еще одну космологию Большого взрыва, предполагающую разделение между нашей расширяющейся Вселенной и другой антивселенной, движущейся назад во времени. Они разработали свою модель отчасти для того, чтобы помочь разрешить вопиющее несоответствие между легкостью получения антиматерии (противоположно заряженных аналогов обычных частиц) в физических экспериментах, что указывает на фундаментальную симметрию материи и антиматерии, и абсолютным преобладанием материи в наблюдаемой Вселенной. В то время как частицы и античастицы одинаково проявляются во многих лабораторных процессах, например электроны и позитроны (их положительно заряженные аналоги) возникают парами, астрономы никогда не наблюдали галактик, звезд или других небесных тел, состоящих из антиматерии. (Стоит отметить, что темная материя – это совершенно иное явление.)
Один из способов представления античастиц, основанный на методах Ричарда Фейнмана, заключается в том, чтобы воспринимать их как частицы, движущиеся назад во времени. Таким образом, создание пары частица-античастица можно рассматривать как две частицы, которые движутся во времени в противоположных направлениях: одна – в будущее, другая – в прошлое. Однако движение в обратном направлении во времени не воспринимается буквально, а скорее служит вычислительным приемом. В модели Бойла, Финна и Турока сам Большой взрыв представляет собой событие расщепления. Из пустоты возникают две космические сущности: одна – это наша собственная Вселенная, которая движется вперед во времени и состоит в основном из материи, а другая – антивселенная, которая движется назад во времени и состоит в основном из антиматерии. Таким образом, глобальный космос – это своего рода мультивселенная, которая состоит из парных пространственно-временных сущностей, что сохраняет симметрию между материей и антиматерией. Хотя в своей работе команда не делала конкретных прогнозов относительно реликтового фона, они предсказали существование нового типа массивных нейтрино, которые будут иметь спиральность, противоположную обычным нейтрино – правозакрученные, а не левозакрученные[162]. Однако такие правозакрученные массивные нейтрино до сих пор не были обнаружены.
Из-за скудности подтверждающих фактов космологии Большого отскока, включая циклическую Вселенную, конформную циклическую космологию, петлевую квантовую космологию, модели с антивселенной и другие схемы, не получили большой популярности. Бóльшая часть космологического сообщества по-прежнему поддерживает идею горячего Большого взрыва, за которым последовал короткий интервал инфляции[163] что, по-видимому, лучше всего объясняет профиль реликтового фона, обнаруженный спутниками WMAP и «Планк».
Тем не менее идея о том, что инфляция может привести к огромной, а возможно, и бесконечной мультивселенной, где наша Вселенная – лишь крошечный и, возможно, бесконечно малый фрагмент, поражает. Мы стремимся понять устройство космоса, и это приводит нас к картине мира, где мы, похоже, можем описать лишь незначительную часть всей реальности. Это по меньшей мере унизительно. Вполне вероятно, что это продолжит вдохновлять теоретиков на разработку альтернативных моделей, которые могут предложить более полное описание реальности, чем теории вечной инфляции и пузырьковой мультивселенной.
Если оставить в стороне вечную инфляцию, теория струн предлагает свою версию сложной мультивселенной – множество всех конфигураций пространств Калаби – Яу. Интересно, что циклические космологии, предложенные Стейнхардтом, Туроком и их соавторами, связаны с предсказаниями теории струн и М-теории. Таким образом, даже если эти космологии окажутся истинными, мультивселенная может проникнуть в теорию обходным путем. Избежать появления всех вариантов мультивселенной сегодня – весьма непростая задача.
Циклические модели продолжают оставаться привлекательными для тех, кто не может смириться с идеей полного космического вымирания. Мысль о полном конце всего пугает. Однако без возможности обновления Вселенной неуклонный рост энтропии ведет к мрачному и неизбежному финалу. Без доступной энергии последние этапы существования Вселенной будут лишены жизни.
Течение времени может пугать и на личном уровне, особенно когда мы сталкиваемся с утратами, связанными с возрастом, и боимся совершить необратимые ошибки. Мы горюем по тем, кто ушел, по родственникам и друзьям, которых уже нет рядом, и тоскуем по прошлым отношениям. Идея отправиться в прошлое, чтобы исправить ошибки, провести время с теми, кого уже нет в живых, застать важные исторические события – и, возможно, даже изменить их – кажется очень привлекательной.
Путешествия во времени, давно ставшие темой научной фантастики, продолжают оставаться интригующей перспективой. В последние десятилетия благодаря работам специалиста по теории гравитации Кипа Торна и других это понятие все чаще появляется в научных публикациях. Эта идея тесно связана с концепциями мультивселенной. Прежде всего, в общей теории относительности понятия движения в пространстве и течения времени смешиваются. В отличие от специальной теории относительности, которая исключает возможность движения вспять во времени для обычных частиц, чтобы сохранить причинно-следственные связи (исключение делается только для античастиц, как предложил Фейнман для упрощения вычислений), общая теория относительности, по-видимому, не запрещает путешествия назад во времени. В книге «Защита хронологии» Стивен Хокинг описал способы, как общая теория относительности может препятствовать нарушению хронологии, однако другие ученые выявили возможные лазейки, которые теоретически могут позволить перемещение во времени [164].
Один из потенциальных способов путешествия назад во времени, как показали Торн и другие ученые, связан с проходимыми кротовыми норами. Такие кротовые норы, если их каким-то образом построить или найти, гипотетически можно использовать для перемещения как во времени, так и в пространстве, что открывает доступ к областям, прежде недоступным для наблюдения – а это одно из определений мультивселенной (уровня I по Тегмарку).
Если попытаться изменить прошлые события через путешествия во времени, это может создать парадоксальные ситуации: например, можно предупредить молодого себя не совершать путешествий во времени. Если молодая версия прислушается к этому совету и откажется от такого темпорального приключения, будет непонятно, кто же на самом деле сделал предупреждение. Один из способов избежать подобных парадоксов – ввести обязательное требование, чтобы все временные петли были самосогласованными, то есть изменения в прошлом не должны приводить к противоречиям или логическим сбоям в развитии событий. Другая гипотеза, которая часто используется в научной фантастике, – это идея, что при вмешательстве в прошлые события реальность разветвляется. Эти разветвляющиеся временные линии можно назвать еще одним типом мультивселенной. Этот процесс напоминает многомировую интерпретацию квантовой механики, но здесь альтернативные реальности возникают в результате вмешательства человека в прошлое, а не из-за квантовой суперпозиции.
Дэвид Дойч предложил интересную идею, которая связывает путешествия во времени с концепцией мультивселенной. Согласно его взгляду, время на самом деле не течет, а все события, происходящие в пространстве и времени, существуют одновременно, образуя так называемые островные Вселенные. Наши сознания соединяют их таким образом, чтобы соблюдались законы физики. Поэтому наше личное ощущение течения времени будет, по меткому выражению Эйнштейна, лишь «стойкой иллюзией»[165].
Одним словом, мультивселенная и путешествия во времени имеют много общего. Обе идеи также сталкиваются с критикой скептиков, которые утверждают, что это не настоящая наука. Но, когда основные теории оказываются в тупике, сторонники мультивселенной и путешествий во времени приводят убедительные аргументы. Отказ от умозрительных моделей, пытающихся решить сложные проблемы, может быть как правильным решением, так и большой ошибкой, как это произошло с Эйнштейном и квантовой механикой. Поэтому разумно было бы сохранять осторожную открытость к разным идеям, пока их не опровергнут эксперименты или теоретические расчеты.