В настоящее время опубликованы десятки различных моделей пульсирующей Вселенной. Для их детального обзора потребуется как минимум отдельная книга. Поэтому мы рассмотрим только четыре современные модели осциллирующей Вселенной, которые хорошо демонстрируют диапазон идей в данной области.
1. Экпиротическая циклическая Вселенная (модель Стейнхардта — Турока).
Авторы этой теории считают, что к концу XX века классические циклические модели Вселенной потеряли привлекательность, потому что получили сильные удары как от теоретиков, так и от наблюдателей (Стейнхардт и Турок, 2007). Стейнхардт и Турок перечислили эти возражения: аргумент Толмана, который отметил, что циклическая Вселенная должна увеличивать энтропию от цикла к циклу, следовательно, она не будет реально циклической. Целый ряд других теоретиков доказывали, что сжимающаяся Вселенная станет сильно неоднородной и хаотической, что исключает ее расширение в гладкую расширяющуюся Вселенную. При этом коллапс Вселенной должен непременно вызвать гравитационную сингулярность, где плотность станет бесконечной. Возражения со стороны наблюдателей заключались в том, что Вселенная при расширении не тормозится, как того требует цикличность, а ускоряется благодаря таинственной темной энергии. Кроме того, подсчеты астрономов показали, что наблюдаемой плотности гравитирующей среды не хватает для замыкания Вселенной.
Стейнхардт является известным критиком теории инфляции, поэтому он принялся за разработку новой модели, которая должна была найти аргументы против всех возражений теоретиков и наблюдателей. Согласно модели экпиротической Вселенной, наблюдаемое нами трехмерное пространство — это брана (производное от слова «мембрана»), или подпространство, погруженное в многомерное пространство (Стейнхардт и Турок, 2002, 2007). По оси времени в этом многомерном пространстве рядом с нашей браной находится еще одна трехмерная брана. Две браны взаимодействуют друг с другом — сближаются и расходятся. При столкновении бран происходит Большой взрыв с рождением горячего вещества. Сингулярности при этом не возникает. Две браны притягиваются друг к другу, что объясняет феномен темной энергии и обеспечивает новое сближение и столкновение бран.
Теория экпиротической Вселенной сталкивается с рядом проблем — например, природа взаимодействия между бранами неизвестна. Само существование двух трехмерных бран в многомерном пространстве не следует из какой-либо теории, включая теорию струн, которая рассматривает многомерные пространства. Как в этой модели Стейнхардта — Турока решается проблема энтропийного аргумента Толмена? Каждая из бран расширяется, поэтому, хотя суммарная энтропия на каждой бране растет, плотность энтропии в каждом заданном участке пространства уменьшается. Поэтому при столкновении бран рождается новый мир с низкой энтропией. Пенроуз (2016) указал, что за время между циклами Вселенной (или столкновениями бран), например за триллион лет, сверхмассивные дыры в центрах галактик никуда не исчезнут, а именно они содержат в себе основную часть энтропии Вселенной: «Несмотря на то что в ходе экспоненциального расширения они будут сильно рассеяны, в ходе окончательного коллапса они снова соберутся вместе и, вероятно, они станут важной частью финального сжатия. Мне совершенно непонятно, почему их можно игнорировать в предложенном экпиротическом переходе от сжатия к взрыву!» (Пенроуз, 2016). Отметим, что это возражение Пенроуза относится ко многим циклическим космологиям, которые игнорируют проблему перехода черных дыр в новый цикл Вселенной.
В более поздних работах (см.: Иджас и Стейнхардт, 2022 и ссылки в ней) было показано, что размер Вселенной увеличивается в течение одного цикла на 70 порядков. Возникает вопрос: можно ли считать столь стремительно увеличивающуюся Вселенную цикличной?
Иджас и Стейнхардт (2022) утверждают, что теория экпиротической циклической Вселенной решает целый ряд старых космологических проблем. К сожалению, в рамках этой модели не сделано ни одного оригинального (то есть присущего только данной теории) наблюдательного следствия, которое бы успешно подтвердилось.
2. Модель Аштекара, основанная на петлевой квантовой гравитации.
Теория петлевой квантовой гравитации строится на гипотезе о дискретности пространства-времени, которое поделено на ячейки размером в 10–33 сантиметра. Движение тел представляет собой возбуждение ячеек, или квантов, пространства. Время тоже квантовано и движется скачками в 10–43 секунды (Аштекар и др., 2006; Смолин, 2006; Аштекар и Слоан, 2011). Согласно расчетам в рамках этой теории, фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями, но пока этот эффект не зарегистрирован. На основе петлевой квантовой гравитации была построена космологическая модель, которая избавлена от сингулярности, то есть сжатия в точку с бесконечной плотностью, — хотя бы потому, что в новой теории точки пространства заменились на ячейки объемом 10–99 кубических сантиметров. Согласно этой модели, Большой взрыв является следствием отскока Вселенной, коллапсировавшей в прошлом, что допускает цикличность нашего мира. Космология, основанная на петлевой квантовой гравитации, применима как к открытой, так и к закрытой Вселенной (Аштекар и дел Рио, 2022).
3. Модель Поплавского: Вселенная, пульсирующая в черной дыре.
Эта теория основана на теории Эйнштейна — Картана, которая включает кроме классического гравитационного поля дополнительные физические поля, которые и объясняют Большой взрыв и ликвидируют сингулярности (Поплавский, 2016). Эта теория предполагает Вселенную анизотропной и использует квантовые поля в искривленном пространстве. Размещение Вселенной в черной дыре автоматически означает, что современное расширение рано или поздно сменится на сжатие, потому что ничего из черной дыры убежать не может. В данной теории время космологического цикла и размер Вселенной тоже увеличивается. Очевидно, что с ростом размера Вселенной ее энтропия тоже растет. Теория допускает возможность, что в нашей Вселенной могут существовать белые дыры — то есть такие антигравитационные дыры, которые не поглощают вещество, а выбрасывают его.
4. Конформная циклическая космология.
Подавляющее большинство моделей циклической Вселенной основано на неэйнштейновских теориях гравитации (в основном квантовых) и на предположениях о новых физических полях, пространственно-временных измерениях и т. д. Конформная модель пульсирующей Вселенной, развиваемая Пенроузом и его соавторами (Пенроуз, 2011; Гурзадян и Пенроуз, 2013; Пенроуз, 2016), является одной из немногих циклических космологий, которые базируются на теории Эйнштейна и не предполагают экзотических субстанций с аномальными свойствами. Пенроуз скептически относится к современным веяниями в космологии и называет теорию инфляции «фантазией» (Пенроуз, 2016).
Пенроуз считает, что Вселенная проходит бесконечное количество циклов, или эонов. Он выдвинул интересную гипотезу о возможности получения из прошлых циклов информации черных дыр и гравитационного излучения, что убирает необходимость введения темной энергии. Влияние реликтовых (то есть пришедших из прошлых циклов) сверхмассивных черных дыр проявляется в виде кругов, следы которых Пенроуз и Гурзадян нашли в реликтовом микроволновом излучении (Гурзадян и Пенроуз, 2013). Возможно, в нашем цикле существуют и разумы из прошлых эонов.
Пенроуз вместе с Хокингом доказал в рамках теории Эйнштейна теоремы о существовании сингулярности при коллапсе Вселенной. Но не в сингулярности Пенроуз видит главную проблему циклической космологии. Пусть существует какой-то, пусть квантовый, механизм, который предотвращает сингулярность и вызывает Большой взрыв. Ключевая проблема, которую постоянно обсуждает Пенроуз, лежит еще глубже: это проблема уменьшения энтропии при переходе от сжатия к расширению. Действительно, при сжатии Вселенной ее неоднородность растет из-за приливных сил и образования черных дыр. Пенроуз первым отметил, что при таком коллапсе образуется и самая крупная черная дыра. В конце коллапса материя Вселенной погружается в хаос и разогревается до высоких температур, которые разрушают даже ядра атомов. Энтропия мира достигает своего максимума. Зато после Большого взрыва мы видим разлетающуюся материю с низкой энтропией, о чем говорит высокая однородность реликтового излучения, рожденного веществом Вселенной всего спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Это резкое падение энтропии, противоречащее второму закону термодинамики, и является главной проблемой, с которой борется Пенроуз.
Он предложил следующий выход: пусть Вселенная расширяется бесконечно — то есть настолько долго, что даже сверхмассивные черные дыры успевают испариться по механизму Хокинга. Пенроуз полагает, что массы элементарных частиц тоже уменьшаются, при этом протоны и электроны должны быть нестабильны. В бесконечно удаленный момент времени Вселенная будет представлять собой однородный газ из фотонов с низкой энтропией. Если во Вселенной нет частиц, из которых можно построить часы и рулетку, чтобы измерить время и пространство, то, как считает Пенроуз, исчезает всякая разница между огромной и маленькой Вселенной. В этот момент Пенроуз применяет к Вселенной оператор конформного преобразования. В геометрии такое преобразование пространства сохраняет форму фигур, которые были в этом пространстве. Оператор Пенроуза резко уменьшает размер Вселенной — вплоть до такого малого объема, который будет снова расширяться в Большом взрыве. Пенроуз не знает механизма такого резкого уменьшения размеров Вселенной, зато в его модели постулируется низкая энтропия перед Большим взрывом и парадоксальный скачок энтропии исчезает.
Вряд ли волшебный оператор Пенроуза существует в реальности. Решение энтропийного парадокса Пенроуза можно найти в рамках развиваемой нами космологии. Безусловно, что энтропия Вселенной при коллапсе растет, потому что все больше потенциальной и кинетической энергии движения галактик переходит в тепловую энергию — пока Вселенная не превратится в квази-однородный раскаленный шар из гамма-квантов и барионов с примесью электронов и нейтрино. В этот шар вкраплены черные дыры, которые тоже растут при коллапсе Вселенной за счет аккреции окружающего вещества и увеличивают свою энтропию. Как перейти от этого высокоэнтропийного состояния сжимающейся неоднородной Вселенной к низкоэнтропийному состоянию расширяющейся однородной Вселенной? Задача выглядит неразрешимой, но если мы имеем дело с природным процессом, то нужно учитывать, что природа всегда находит решение неразрешимых задач.
Большой взрыв и низкая энтропия расширяющегося однородного огненного шара оплачена резким ростом энтропии популяции черных дыр. Сливающиеся черные дыры вызывают антигравитацию, которая разворачивает коллапс вещества и одновременно скачком увеличивают свою, а следовательно, и общую энтропию Вселенной. Благодаря этому «самопожертованию» черных дыр энтропия огненного шара из барионов и излучения оказывается низкой. Аналогия: пусть на Земле стоит ракета с пороховым двигателем, обладающая определенной энтропией. Когда двигатель заработает, то ракета взлетит. Ее собственная энтропия уменьшится благодаря тому, что порох сгорел, то есть перешел в высокоэнтропийное состояние в виде пороховых газов. Так и Вселенная «взлетает» в момент Большого взрыва, используя сливающиеся черные дыры как топливо. Наблюдаемая в телескопы часть Вселенной из излучения, газа и звезд приобретает низкую энтропию полета благодаря тому, что невидимые черные дыры резко увеличивают свою энтропию. Их роль в общей картине мира долго не замечалась, поэтому и возник парадокс резкого сброса энтропии во Вселенной при переходе от Большого сжатия к Большому взрыву. На самом деле речь может идти лишь об уменьшении энтропии наблюдаемой среды из излучения и барионов. Суммарная энтропия Вселенной, подчиняясь второму закону термодинамики, выросла при Большом взрыве из-за роста энтропии популяции черных дыр. Самым большим носителем энтропии в этой популяции стала Большая Черная Дыра, которая играет ключевую роль в дальнейшей динамике Вселенной.