Все возникающее должно иметь какую-то причину для своего возникновения, ибо возникнуть без причины совершенно невозможно.
Статическую бесконечную Вселенную можно было бы получить в единственном случае: если бы на больших расстояниях гравитация приводила к отталкиванию между телами.
С чем же связано происхождение Вселенной — с особенностью или с неустойчивостью?
Как возникла наша замкнутая Вселенная или Мегадыра с ее содержимым? Практически единственный разумный ответ, который возможен при нынешнем понимании космологии: Вселенная возникла вследствие огромной флуктуации. Если существовала бесконечная самогравитирующая среда с небольшой плотностью гравитационных волн и какой-то обычной материи (фотонов, барионов, электронов, нейтрино и т. д.), то всегда можно выделить объем, гравитирующая масса в котором будет достаточна для замыкания пространства или образования огромной черной дыры.
Если наша Вселенная — замкнутое пространство, как полагал в 1917 году Эйнштейн, то ее внешний радиус не меняется (из-за закона сохранения энергии), и вопрос о существовании чего-либо за границей Вселенной не имеет смысла.
Если же, следуя, например, Н. Поплавскому, принять, что Вселенная находится в черной дыре (в Мегадыре, по нашей терминологии), то ситуация осложняется, ведь черные дыры существуют в некотором пространстве, где могут двигаться и сливаться друг с другом. Если за границей Мегадыры существует другая вселенная, то она может столкнуться с нашей. Следовательно, в черную дыру могут проникать внешние наблюдатели, а также различные волны и вещество. Мегадыра может увеличиваться со временем; теоретически, из каждой дыры можно вырастить вселенную с достаточно богатым содержимым и даже с живыми организмами, которые, хотя бы изредка, будут задаваться вопросами космологической важности.
В рамках циклической космологии вопрос о происхождении нашей Вселенной упирается в два главных практических следствия:
1. Радиус Вселенной постоянен или растет от цикла к циклу?
2. Есть ли за границей Вселенной нечто, способное проникнуть внутрь нашей Вселенной?
Ньютоновская космология не допускала бесконечную однородную Вселенную, потому что из-за притягивающей гравитации такой мир является неустойчивым. Как мы показали ранее, коллапс гравитирующей системы вызывает всплеск гравитационных волн, уменьшение гравитационной массы и монопольную антигравитационную волну, которая приводит к расширению системы. Эта волна антигравитации распространяется наружу, уменьшая с расстоянием свою амплитуду как 1/R. Так как гравитационное притяжение падает сильнее: 1/R2, то на больших расстояниях будет наблюдаться следующая картина: пробное тело долгое время притягивается к нашей Вселенной из-за ее гравитации, а потом на него из нашей системы налетает антигравитационная монопольная волна, которая настолько сильна, что за короткое время отбрасывает тело на значительное расстояние, откуда оно снова начинает свое долгое падение. Возникает интересный вопрос: можно ли построить в рамках ОТО с помощью баланса гравитационного притяжения и дальнодействующей антигравитации, бесконечный, хотя и локально неоднородный, мегамир с локальными осциллирующими вселенными? Такой бесконечный мир, который можно назвать Мегавселенной, будет представлять собой набор из многих вселенных, свободно двигающихся или организованных в кластеры, а может и в кристаллическую структуру, где каждая вселенная занимает свой узел решетки. Отметим принципиальную разницу этой картины от инфляционного мультиверса, где законы физики широко варьируются между быстро размножающимися вселенными: в Мегавселенной все законы одинаковы. Фактически Мегавселенная — это и есть одна бесконечная вселенная, которой энергетически выгодно самоорганизоваться в пульсирующие подструктуры типа нашей Вселенной, число которых постоянно или меняется мало.
Вряд ли можно хоть с какой-то долей уверенности выбрать какой-либо из этих вариантов. В дальнейших рассуждениях мы будем рассматривать только нашу Вселенную (как мы делали и во всех предыдущих главах), полагая, что ее размер равен диаметру Мегадыры и не меняется. Вопрос о существовании чего-либо за границей нашей Вселенной неактуален, потому что там лежит область ненаблюдаемого (в данный момент несущественно, ненаблюдаемого принципиально или практически).
Итак, предположим, что Вселенная первого цикла возникла в результате гигантской флуктуации разреженной среды. Она, вероятно, совпадала с Вселенной нашего цикла по общей массе или энергии, но очевидно, что ее внутреннее содержание выглядело совсем по-другому. Как эволюционировало содержание Вселенной после ее образования?
Очевидно, что если гравитации среды было достаточно для замыкания Вселенной первого цикла, то этот цикл начался со сжатия вещества к центру вновь образованной Мегадыры. Отметим разительный контраст этого сценария с инфляционными и другими одноразовыми моделями Вселенной, которые стартуют от сверхплотного и компактного состояния мира. Циклическую многоразовую модель Вселенной логично начинать, наоборот, с максимально разреженного состояния, трудноотличимого от вакуума. Если не учитывать гравитацию, то такое состояние можно рассматривать как максимальное по энтропии. Но учет гравитации и возможного будущего образования гравитирующих сгустков и черных дыр кардинально меняет ситуацию: такое начальное состояние Вселенной можно считать минимальным по энтропии, потому что дальнейшая эволюция будет ее только увеличивать.
Начало последующих циклов Вселенной тоже правильнее отсчитывать не от Большого взрыва или от расширения плотного и горячего шара, который образуется в середине цикла, а с самого разреженного холодного состояния, возникающего в момент остановки расширения, перехода к минимуму энтропии и к сжатию нашей Метагалактики.
Что происходит при сжатии среды, в которой нет ни звезд, ни черных дыр, а присутствуют лишь гравитационные волны, фотоны и, может быть, какое-то количество элементарных частиц? Широко распространено мнение, что гравитация — это притяжение и только притяжение, которое возле сингулярности победить невозможно. Но реальность оказалась гораздо сложнее. Таблица IV кратко суммирует свойства четырех основных гравитационных феноменов. Как было детально рассказано в предыдущих главах, гравитационное притяжение нельзя победить никакой негравитационной силой, но можно победить другими феноменами гравитации, которая не сводится к притяжению.
Начальное сжатие Вселенной первого цикла определялось практически только ньютоновским притяжением, потому что оно сильнее прочих на больших расстояниях — за исключением антигравитации и гипергравитации. Но эти феномены зависят от переменности гравитационной массы и были близки к нулю при начальном сжатии Вселенной из-за того, что генерация гравитационных волн в разреженной среде исключительно мала, а поглощение этих волн было практически пренебрежимо, потому что отсутствовали черные дыры — единственные эффективные поглотители гравитационных волн.
При сокращении радиуса Метагалактики значимость приливных сил и генерации гравитационного излучения неизбежно увеличивалась, так как они растут с уменьшением размера Метагалактики быстрее притяжения. Гравитационные феномены работают для систем любого состава — хоть для газа черных дыр, хоть для фотонного облака. Не исключено, что начальная Вселенная состояла только из гравитационных волн и фотонов. Рано или поздно, но в сжимающейся Вселенной первого цикла началась интенсивная генерация гравитационных волн, обеспеченная приливными неустойчивостями, нарушающими сферическую симметрию сжимающегося шара из той материи, которая имелась во Вселенной первого цикла. Рост гравитационного излучения приводил к уменьшению гравитационной массы сжимающейся Метагалактики и включению антигравитации. Первый Большой взрыв в Метагалактике сопровождался и появлением первой Большой Черной Дыры в центре Вселенной.
В настоящее время в каждом кубическом сантиметре Вселенной содержится 400–500 квантов реликтового излучения с температурой около 3 градусов Кельвина. При сжатии Вселенной в 1010 раз, до размера в несколько световых лет, концентрация реликтовых фотонов вырастет на 30 порядков, а температура фотонов достигнет 30 миллиардов градусов и станет достаточной для разбивания самых прочных атомных ядер и для генерации электронно-позитронных пар. Сжатие Вселенной первых циклов, без современной популяции звезд и черных дыр, могло быть сильнее, чем в настоящее время. Если минимальный размер Вселенной первых циклов был 0,1–0,01 светового года, то температуры реликтовых фотонов вырастали до десятков триллионов градусов, и их энергии хватало для генерации протонно-антипротонных пар. Возможно, большая часть барионной массы мира родилась именно тогда — в первых циклах Вселенной.
Наличие асимметрии при рождении барионов могло приводить к тому, что после аннигиляции осталась лишь небольшая часть обычных протонов. Проблема барионной асимметрии хорошо известна, и ее решение ищется в асимметрии процессов рождения протон-антипротонных пар. Модель циклической Вселенной не предлагает принципиально новых решений проблемы барионной асимметрии, но смягчает требования к такому решению. Периодичность Вселенной разрешает накапливать обычную материю в течение многих циклов, поэтому искомая асимметрия рождения протонов и антипротонов может быть гораздо слабее, чем это требуется в случае одноразовой Вселенной.
Начальная разреженная среда первого цикла постепенно перестраивалась внутри вновь образованной Вселенной к новому колебательному стационару со значительным количеством барионов, что было плюсом для развития сложных форм материи и разумной жизни. В ходе этой перестройки начальная энергия перераспределялась между гравизлучением, фотонами и барионной материей. Если период пульсаций Метагалактики зависел только от ее гравитирующей массы, куда не входит гравизлучение, то он мог уменьшаться из-за перехода части гравизлучения в энергию обычного вещества — до тех пор, пока период не вышел на стационар. Таким образом, происходила эволюция физических параметров: система двигалась к более эффективной генерации гравизлучения (и его поглощения), что ускоряло пульсации.
Космологическая эволюция, вероятно, сопровождалась стремлением к выравниванию плотности Вселенной. Действительно, в самых плотных частях сжатой Вселенной время замедляется, что дает возможность менее плотным областям с более быстрым течением времени «догонять» более плотные зоны. Кроме того, в плотных частях выше темп генерации гравитационного излучения (например, из-за более частого слияния черных дыр), что приводит к повышенной антигравитации в этих зонах и уменьшению их плотности при разлете.
Как эволюционировала Вселенная в случае постепенного накопления барионов? Если в начальных циклах плотность барионов в момент просветления среды (эпоха рекомбинации водорода, которая в нашем цикле случилась 380 тысяч лет после Большого взрыва) была мала, например всего 1 % от соответствующей плотности в нынешнем цикле, то неустойчивость Джинса приводила не к компактным шаровым скоплениям в 105 солнечных масс с размером около 100 световых лет (см. формулу (65) в Приложении II), а к более крупным коллапсирующим облакам в 1000 световых лет и в миллион масс Солнца. В этих небольших квазиэллиптических протогалактиках не было сверхмассивных дыр, которые формируют современный облик галактик. Возможно, что на первых циклах Вселенной работала известная иерархическая модель роста галактик, предполагающая их укрупнение через взаимные слияния. Такие протогалактики уже могли образовывать космические светила, в том числе звезды Вольфа — Райе[20], которые взрывались как сверхновые, превращаясь в черные дыры. Через несколько сот циклов эти дыры выросли до сверхмассивных черных дыр, которые изменили сценарий эволюции галактик с медленного иерархического на быстрый аккреционный. В результате двумерной и трехмерной аккреции на сверхмассивные черные дыры возникли спиральные и эллиптические галактики, и Вселенная приобрела современный вид. Возможно, количество черных дыр и их распределение по массам стало оптимальным для максимальной эффективной генерации гравитационного излучения перед Большим взрывом и для нужной степени фотодиссоциации атомных ядер.
Хотя внимательный читатель может сам определить разницу между надежно установленными фактами и свободными рассуждениями данного раздела, еще раз подчеркнем, что наши соображения о первых циклах Вселенной сугубо умозрительны, хотя и учитывают результаты, полученные в рамках циклической космологии. Эти размышления должны служить лишь мотиватором для развития более детальных и строгих моделей эволюции компонент Вселенной от первых циклов до современного состояния. Только тогда можно будет установить, какие из высказанных мыслей оказались правильными, а какие — нет.