Физики-теоретики Штеффен Гилен (Имперский колледж, Лондон, Великобритания) и Нейл Турок (Окружной институт теоретической физики, провинция Онтарио, Канада) показали, что Вселенная могла возникнуть не в результате Большого взрыва, а Большого отскока. Данные об исследовании опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Наблюдения астрономов указывают на плоскую геометрию крупномасштабной Вселенной. Это означает, в частности, что в ней справедливы аксиомы Евклида, согласно которым параллельные прямые никогда не пересекаются. Локальные отклонения, обусловленные искривлением пространства видимой и темной материей, в масштабах всей Вселенной не меняют ее евклидовости. Это, как полагают Гилен и Турок, противоречит инфляционным сценариям рождения нашего мира как одного из многих в рамках концепции мультивселенной.
Затруднение разрешается одним из наиболее старых и экономных (с точки зрения необходимости введения в теорию новых сущностей) объяснений возникновения Вселенной — гипотезой Большого отскока, призванной заменить (или, по крайней мере, модифицировать) теорию Большого взрыва, служащую — вместе с представлением об инфляционной стадии развития Вселенной и существованием темных материи и энергии — основанием для принятой научным сообществом стандартной космологической модели.
Гипотеза Большого отскока противоречит общей теории относительности, но допускается квантовой теорией. Эти две физические парадигмы не противоречат друг другу в широком диапазоне масс и энергий. Явления, происходящие с огромными массами в масштабе звезд и галактик, описываются методами общей теории относительности. В масштабе атомов и элементарных частиц, где гравитация слаба, работает квантовая механика. Ситуация меняется на планковском масштабе, когда необходим одновременный учет эффектов общей теории относительности и квантовой механики — их симбиоз, называемый квантовой гравитацией. Такой теории в настоящее время не существует.
Между тем возникновению Большого взрыва и рождению Вселенной предшествовала стадия сингулярности, в которой значения плотности и температуры равнялись бесконечности. С математической точки зрения это означает, что теории, описывающие такую физическую ситуацию, дают ультрафиолетово-расходящиеся решения. При высоких энергиях подобные модели являются конформно-инвариантными, то есть уравнения, описывающие физику, имеют один и тот же вид на разных масштабах энергий и расстояний. Вероятно, как полагают авторы, на ранних этапах развития Вселенная была конформно-инвариантной, а сейчас, когда температура и плотность мира малы, симметрия нарушилась.
Анализируемая авторами опубликованной работы теория Большого отскока — мир с конформно-инвариантной материей. Гилен и Турок рассмотрели простейший случай — пространственно-плоскую, однородную и изотропную вселенную, заполненную идеальной жидкостью (излучением без материи). Метрика, описывающая бесконечно малое расстояние между двумя точками в таком пространстве-времени, допускает аналитическое продолжение вокруг сингулярности в комплексной плоскости конформного времени. Такую метрику и аналитическое продолжение изучал еще американский физик Брюс де Витт в 1967 году, однако смысл последнего ему остался неясен. Гилен и Турок выполнили аналитическое продолжение и дали ему физическую интерпретацию.
Эволюция Вселенной после Большого взрыва
Изображение: NASA / WMAP
Полученное решение уравнений движения напоминает известное из классической теории поля отскоковое решение. Именно оно описывает, по мнению авторов, переход мира через точку с конформным временем, равным нулю. Такой метод используется в квантовой механике и известен под названием квазиклассического приближения, определяющего вероятность туннелирования квантовой системы из одного состояния в другое.
Туннелирование — это преодоление частицей потенциального барьера, когда ее энергии для этого недостаточно. Это квантовое явление, невозможное в классической физике. Получается, что рождение мира происходит в результате квантового туннелирования, или скачка — система переходит (перепрыгивает или перескакивает) через сингулярность (конформное время, равное нулю), предшествующую Большому взрыву.
Концепция Большого отскока — одна из моделей циклического развития Вселенной, когда периоды ее сжатия и расширения сменяют друг друга. Гипотеза отскока была предложена около ста лет назад, но механизм перехода от состояния сжатия к расширению был неясен. Гилен и Турок преодолели эту трудность, описав не столько рождение новой вселенной, сколько возникновение одного из ее циклов.
Вопрос о том, какой по счету цикл наблюдается у современной Вселенной (если предложенная теория верна), остается открытым. Исследователи отмечают, что им не потребовалось привлекать идеи петлевой квантовой гравитации. Сторонники последней активно работают над теорией Большого отскока, однако их методы часто встречают неоднозначную оценку специалистов по теории струн. В дальнейшем Гилен и Турок планируют рассмотреть более реалистичную версию теории Большого отскока. В частности, физики намерены изучить эволюцию Вселенной с возмущениями, приводящими к формированию в ней крупномасштабных структур — скоплений галактик.