Сегодня принято считать, что современное расширение — это один из многих циклов, через которые проходит закрытая Вселенная.
Дж. Силк в своей книге «Большой взрыв» (1980) предполагал, что Вселенная могла испытать около сотни циклов. Мы полагаем, что число космологических циклов гораздо больше — как минимум много сотен, иначе нельзя достичь наблюдаемого распределения черных дыр и других компонент Вселенной (см. Приложение II).
Приверженцы одноразовой модели Вселенной могут придумать механизм создания темной материи любой природы и на этом успокоиться. Перед сторонниками циклической космологии стоит гораздо более сложная задача: все компоненты осциллирующей Вселенной, включая темную материю, должны существовать в условиях изменения размеров мира на 10–11 порядков. Эти компоненты (и темная материя) не должны нарастать или уменьшаться от цикла к циклу — они в среднем должны быть стационарными. Под космологической стационарностью мы будем понимать приблизительное сохранение компонент Вселенной от цикла к циклу: например, в момент максимального сжатия состав и состояние Вселенной в разных циклах будут практически одинаковыми. Внутри цикла все составляющие Вселенной безусловно меняются в определенных пределах, взаимодействуя или перетекая друг в друга (см. рис. 8). Рассмотрим циклические преобразования материи в осциллирующей Вселенной.
Барионно-фотонный цикл
Этот красивый цикл атомов, барионов и фотонов, который реализуется в циклической Вселенной, был найден в середине XX века. Он был первым открытым космологическим циклом, который одновременно является самым важным для нас — живых существ, состоящих из атомов. В настоящий момент этого цикла в результате термоядерных реакций в звездном водороде во Вселенной образуются и накапливаются атомы достаточно тяжелых элементов, например углерода и кислорода, кремния и железа. Одновременно во Вселенной существует холодный фон из квантов электромагнитного реликтового излучения с температурой около 3 градусов Кельвина. Когда Вселенная остановится и начнет сжиматься, то температура реликтового излучения тоже начнет расти. При коллапсе Вселенной до размера в несколько световых лет температура фонового излучения увеличится до десятков миллиардов градусов. Это будут уже не фотоны, а гамма-кванты, которые обладают настолько большой энергией, что разбивают ядра любых химических элементов, включая самые прочные ядра атомов железа. Все атомные ядра распадаются в этой огненной среде и снова становятся газом из отдельных барионов — протонов и нейтронов (фактически «улемом» Гамова). «Улем» разбрасывается в ходе очередного Большого взрыва. Когда температура излучения достаточно упадет, то из протонов, нейтронов и электронов образуется водород и небольшое количество дейтерия и гелия. Из этой газовой среды возникнут звезды, которые снова будут накапливать ядра тяжелых элементов, необходимых для жизни и разума. Барионно-фотонный цикл замыкается — надежный и безотходный.
Барионно-чернодырный цикл
В осциллирующей (периодической) Вселенной все должно подчиняться циклам, причем взаимосвязанным. Например, барионное вещество не только взаимодействует с фотонами и друг с другом, оно, как было установлено в первой половине XX века, еще и порождает черные дыры в процессе звездной эволюции, а потом само поглощается растущими черными дырами. Как достигается стационарность барионной компоненты, если она проваливается в черные дыры?
В модели, где видимая Вселенная избавляется от самой Большой Черной Дыры, достигается и равновесие между черными дырами и барионным веществом: небольшие дыры все время поглощают его, но самая Большая Дыра снова освобождает почти все барионное вещество мира (для наблюдателей, которые попали внутрь этой самой большой дыры). На первый взгляд барионное вещество, которое попало в черные дыры звездных масс и в сверхмассивные дыры, не возвращается в наше пространство и остается невидимым, спрятанным внутри черных дыр. Но на самом деле, это вещество постепенно переходит от маломассивных дыр в самые массивные, а когда самые массивные из них сливаются в самую большую черную дыру, то значительная доля ранее поглощенного барионного вещества возвращается в кругооборот видимого вещества Вселенной. Таким образом, барионное вещество нашего мира существует как в виде видимого вещества звезд и туманностей, так и в виде невидимых барионов, спрятанных внутри черных дыр. При коллапсе и Большом взрыве границы черных дыр сливаются и перекрываются — видимо, в ходе этого малоизученного процесса часть барионов внутри крупных дыр освобождаются из-под горизонта событий внутренних, более мелких дыр.
Точно такое же рассуждение применимо и к ответу на вопрос: почему не растет (или не падает) количество фотонов от цикла к циклу? Или не увеличивается плотность гравитационных волн? Потому что суммарный объем популяции черных дыр не меняется от цикла к циклу (если его замерять в определенный момент цикла, например при максимальном сжатии), следовательно, они не могут вместить барионов, фотонов и гравитационных волн больше определенного количества.
Гравитационные волны генерируются черными дырами и образуют с ними отдельный цикл.
Чернодырно-гравволновой цикл[12]
Этот цикл самый новый и фундаментальный, потому что черные дыры и гравитационные волны являются основными компонентами пульсирующей Вселенной. При сжатии Вселенной черные дыры сливаются друг с другом, порождая всплеск гравитационного излучения и уменьшение гравитационной массы Вселенной. Это уменьшение гравитационной массы обеспечивает антигравитацию, которая является динамической пружиной Большого взрыва. При расширении Вселенной черные дыры снова растут по массе, поглощая гравитационные волны и вызывая эффект гипергравитации. Черные дыры являются основной гравитирующей компонентой Вселенной, а гравитационные волны — ее основным энергетическим ресурсом, наоборот, не имеющим собственной гравитационной массы. Вселенная представляет собой своеобразный маятник в виде системы «черные дыры — гравитационные волны».
В случае обычного маятника реальная кинетическая энергия переходит в потенциальную гравитационную энергию (которая является псевдоэнергией), после чего происходит обратный процесс — и это обеспечивает циклическое колебание маятника. В случае Вселенной гравитационная масса популяции черных дыр быстро уменьшается, сбрасывая энергию в резервуар гравитационных волн, после чего происходит медленный обратный процесс превращения энергии гравитационных волн в гравитационную массу черных дыр. Первая часть этого циклического процесса обеспечивает Большой взрыв и расширение Вселенной, а вторая — растяжение поля галактик, характеризующееся эффектом положительной космологической постоянной, остановку расширения Вселенной и ее коллапс (рис. 8 и рис. 9 а, б, в).
Рис. 9а. Модель циклической Вселенной в черной дыре (современная стадия расширения). Стационарная черная Мегадыра содержит пульсирующую часть Вселенной с полем галактик, которая расширяется (ее граница отмечена штрихованной линией). Мы будем называть эту часть Вселенной Метагалактикой. Окружающая нас часть Вселенной показана кружком другого оттенка с границей из точек. Большая Черная Дыра в центре Вселенной пока мала, но расширяется, увеличивая свою массу
Рис. 9б. Модель циклической Вселенной в черной дыре (стадия сжатия). Большая Черная Дыра в ходе своего расширения остановила разбегание поля галактик (метагалактики), поглотила их и заставила двигаться к центру Вселенной. Сама БЧД продолжает расширяться, поглощая фоновые гравитационные волны, и асимптотически (в пределе) стремясь к размеру (и статусу) Мегадыры
Гравитационные волны рождаются при слиянии черных дыр, а при поглощении большими черными дырами они не уничтожаются, а «прячутся» внутри горизонта событий. Следовательно, должен существовать механизм, который физически уничтожает гравитационные волны. Таким механизмом может быть эффективная диссипация высокочастотных гравитационных волн в плотной среде максимально сжатой Вселенной.
Нужно отметить, что понятие черной дыры хорошо определяется для покоящегося внешнего наблюдателя. Для падающего наблюдателя ввести понятие черной дыры или горизонта событий уже значительно сложнее — он легко проникает сквозь поверхность черной дыры. В парадоксальное положение попадают наблюдатели в сжимающейся Вселенной (мы рано или поздно тоже окажемся в их роли): для небольших дыр, мимо которых эти наблюдатели пролетают, они — внешние, поэтому эти дыры для них обладают классическими
Рис. 9 в. Шесть этапов одного цикла нашей Вселенной: верхние три соответствуют периоду от Большого сжатия до нашего времени, а нижние три — будущему развитию Вселенной вплоть до начала нового коллапса. Одна из интересных проблем: сольется ли поверхность Большой Черной Дыры с поверхностью Мегадыры? Теоретически Мегадыра может немного подрастать благодаря поглощению излучения из внешнего пространства. Возможно, граница нашей Вселенной представляет собой многослойную структуру, медленно увеличивающую свой радиус
свойствами черных дыр. Внутренняя часть Метагалактики, куда летят все коллапсирующие наблюдатели, уже не является чем-то сторонним для них. Поэтому им трудно решить, является ли черной дырой какое-то скопление вещества впереди них.
Падающий наблюдатель будет легко преодолевать все встречающиеся на пути горизонты Шварцшильда в своем стремлении добраться до точки сингулярности, а вернее, до самого сжатого состояния Вселенной, за которым последует Большой отскок или Большой взрыв.
При обсуждении топологии Вселенной обычно утверждается, что гравитации наблюдаемого вещества недостаточно для замыкания нашего мира, даже с учетом темной материи. Оценки гравитирующей материи делаются прямым подсчетом материальных объектов — по их излучению, или поглощению, или гравитационному линзированию. Кроме того, возмущения гравитирующей среды отражаются в неоднородностях реликтового излучения, что дает еще один способ оценки самогравитации Вселенной.
Такой анализ приводит к выводу, что гравитационные волны, в предположении их самогравитации, являются несущественной космологической примесью. Но гравитационное излучение — весьма нетривиальный феномен, оно, согласно трактовке Эйнштейна — Эддингтона — Шрёдингера, не обладает собственным гравитационным полем и не дает вклада в флуктуации самогравитирующей среды, тем самым выпадает из такого анализа. Одновременно при взаимодействии с детектором гравитационная волна переводит свою негравитирующую псевдоэнергию в реальную энергию детектора, которая гравитирует.
Примерами гравитационных детекторов являются, например, свободно подвешенные зеркала в детекторе LIGO и такие абсолютные поглотители гравволн, как черные дыры. Черная дыра поймает гравитационное излучение и соответственно увеличит свою массу. Поэтому когда Большая Черная Дыра проглотит Млечный Путь, то мы по-прежнему будем считать, что плотность среды недостаточна для черной дыры. Но если учесть весь спектр фонового гравитационного излучения и подсчитать его энергию (с математической помощью псевдотензора), то полученная энергия будет достаточной для образования черной дыры. Фактически гравитационное излучение является недостающей и трудноуловимой компонентой для замыкания Вселенной.
Циклическая Вселенная похожа на великолепно отлаженный часовой механизм, в котором все жестко взаимосвязано и взаимозависимо. Выше мы рассмотрели три главные шестеренки этого механизма — три наиболее важных цикла, в которые вовлечены основные компоненты Вселенной:
1. Барионы — фотоны.
2. Барионы — черные дыры.
3. Черные дыры — гравитационные волны.
Конечно, космологические циклы существуют для всего — например, для атомов железа или золота, для галактик, звезд и т. д. Обычно они являются частью главных циклов, но могут образовывать и отдельные циклы.
Примечательной особенностью обсуждаемой модели является то, что она полностью построена на классической теории гравитации с привлечением хорошо проверенных фактов из квантовой механики и ядерной физики — как в случае эффекта фотодиссоциации атомных ядер. Для создания данной космологической теории не было сделано ни одного предположения вроде существования неизвестных сил, полей или размерностей, а также не было введено ни одной новой фундаментальной константы. Если в предполагаемых зависимостях и появляются феноменологические величины, то они имеют временный характер и будут в дальнейшем заменены на физические параметры, вычисленные в рамках более детальных моделей.
Квантовая гравитация оказалась ненужной для построения космологии и решения проблемы сингулярности. Это не означает, что квантовая гравитация не может быть построена. Вполне возможно, что такая теория будет создана и выявит новые глубинные связи между бозонами Хиггса, гравитирующей материей и искривленным пространством-временем. Но все основные пружины динамики Вселенной могут быть объяснены в рамках теории гравитации Эйнштейна (и даже ньютоновской динамики с обобщением на конечность скорости распространения гравполя) и уже развитой теории квантов и атомов. Вероятнее всего, любые будущие углубленные теории гравитации не окажут существенного влияния на развиваемые ныне космологические модели Вселенной. Рецепт кипячения воды в чайнике не зависит от развития квантовой механики и от знания, что вода состоит из молекул.