Остання теорія Хокінга

Незадовго до своєї смерті фізик Стівен Хокінг разом з колегою Томасом Хертогом розробили нову модель чи не найбільшою загадки в космології – космічної інфляції.
Вона описана в статті «Блискучий вихід з вічного інфляції?» (A smooth exit from eternal inflation?), опублікованій 2 травня в «Journal of High Energy Physics». У ній вчені аргументують, що інфляція (або експоненційний розширення Всесвіту) повинна відбуватися значно рівномірніше, ніж стверджують поширені нині теорії. Тобто малоймовірно, що навколо нас існує безліч дивно різноманітних світів, зазначив у статті Стівен Хокінг. Він помер 14 березня, не дочекавшись публікації.
Космічна інфляція – невід’ємна частина теорії Великого вибуху, що являє собою фундаментальну ланка сучасної космології. Згідно їй, приблизно 14 мільярдів років тому стався вибух, з якого і народився сучасний Всесвіт.
Ідея про космічну інфляцію увійшла в науку в 80-их роках ХХ століття завдяки працям американського фізика Алана Гута. Згідно з його припущенням, перед Великим вибухом космічний простір заповнювала матерія з незвичайним властивістю – замість того, щоб тягнутися в результаті гравітації, вона відштовхувалася, через що космос піддавався дуже швидкого розширення.
Весь космос на початку був розміром з атомне ядро водню. І в результаті інфляції за крихітні частки секунди досяг розміру грейпфрута. Частини тієї дивної матерії, що розширювала простір, були нестійкі. За 10-32 секунди вони розпадалися на більш стабільні частинки – сьогодні ми їх знаємо як те, з чого складається матерія і випромінювання.
Це і могло стати тією эксплозией, яку називають Великим вибухом, вважав Алан Гут. А коли не вистачило цієї матерії, яка расталкивала простір, інфляція згасла. З тих пір простір розширюється імпульсивно, більш-менш в тому темпі, який можна помітити сьогодні.
Теорія одноразової інфляції здатна пояснити багато рис Всесвіту, які здавалися лише збігом обставин. Насамперед, чому космос рівномірний і має таку температуру, кількість і розташування галактик – і це незалежно від того, наскільки далеко ми в нього заглянемо. Якщо припустити, що спочатку інфляція була шаленою, то все стає на свої місця: те, що ми бачимо аж до самого далекого горизонту, – це збільшення невеликого фрагмента, який всередині не дуже відрізнявся. Ці дрібні відмінності збереглися донині, але сам розмір фрагментів дуже збільшився.
Проте як ця космічна інфляція відбувалася і що живило її, досі залишається нез’ясованим. Суперечливо і те, наскільки рівномірної була вибухова сила.
Крім того, теорія інфляції має одну слабкість: темп розширення простору значно більше, ніж час розпаду дивної матерії, що живить інфляцію. Тобто, при цій інфляції ніщо не може існувати протягом тривалого часу. Навіть якщо в одній ділянці частинки дивної матерії розпалися і інфляція припинилася, то сусідні ділянки повинні були б за цей час збільшити свій об’єм удвічі. З часом і по сусідству частинки розпадалися, інфляція припинялася і в океані загальної інфляції з’являлися бульбашки нормальної матерії, або ж інші всесвіти. Однак інфляція продовжувала розширювати простір, створюючи місце для наступних світів.
Першим, хто помітив це властивість інфляції, був Андрій Лінде, фізик з Стенфордського університету. Він виявив: якщо теорія інфляції вірна, то наш світ – один з багатьох, міхур, з’являється разом з іншими.
Це процес вічного інфляції, в результаті якого розквітають нові світи, які творять глобальний мультимир або мультиверсум. За цим сценарієм наша Всесвіт повинна бути лише однією з багатьох космічних міхурів, в яких інфляція закінчилася раніше. В інших, недоступних для нас сферах, інфляція триває досі.
«Поширена теорія так званої вічної інфляції припускає, що наш Всесвіт – це нескінченний фрактал: складається з мозаїки різних кишенькових всесвітів, які розділені “океаном”, що все ще розширюється експоненціально, – пояснив Стівен Хокінг на одній конференції в кінці 2017 року. – Оскільки локальні закони фізики і хімії в кишенькових всесвітів відрізняються, разом вони утворюють своєрідний мультиверсум».
Відповідно, одні з цих світів порожні, інші заповнені чорними дірами, ще якісь – тільки проникаючим випромінюванням. За словами Хокінга, він ніколи не був фаном такого мультиверсуму, тому що якщо шкала відмінностей між окремими світами велике або навіть нескінченна, то й теорію вічної інфляції неможливо ні перевірити, ні довести. Адже в такому разі між різними світами мультиверсуму немає залежності. Вони відокремлені морем інфляції, їх поділяють відстані, промінь світла ніколи не подолає. Тобто ми ніколи не зможемо щось про них дізнатися або навіть довести їх існування, вважав учений.
Тому Він і його колега Томас Хертога (Thomas Hertog) з Левенського католицького університету засумнівалися в ідеї вічного інфляції. У статті, написаній ще до смерті Хокінга і опублікованій лише 2 травня, вчені пояснюють, чому існування багатьох різних всесвітів-бульбашок малоймовірно.
«У такому мультиверсуме все може статися. І проблема полягає в тому, що ця гіпотеза практично не дає нам ніяких вказівок або прогнозів щодо нашої власної Всесвіту, тобто щодо того, що ми повинні споглядати в нашій власній, локальної бульбашці простору, – пояснив професор Хертога. – Зате наша теорія може це виправити».
У своїй гіпотезі обидва вчені використовували техніки, запозичені з теорії струн (зокрема голографічний принцип). Згідно з їхніми підрахунками, ідея мультиверсума суперечить закону, який повинен діяти на переході від квантових процесів інфляції в класичній фізиці в нормальному космосі. Тобто глобальна структура мультиверсума, яка випливає з квантової інфляції, не може бути нескінченною і дуже різнорідною.
«Проблема звичайного сценарію і, що він передбачає існування своєрідної фонової Всесвіту, що розвивається за правилами Эйнштейновой загальної теорії відносності. Квантові ефекти повинні були б бути тільки його коливаннями, – пояснив Хертога. – Але динаміка вічної інфляції стирає грань між класичної фізики та квантової фізикою».
Що натомість відбувається при інфляції, Хокінг і Хентог вирахували за допомогою власної теорії голографічного Всесвіту. Згідно їй, тривимірну фізику нашого космосу можна описати проекцією крихітних двовимірних елементів. «Нам потрібно лише голографічне рівняння, щоб вивчити вічне інфляцію в, так би мовити, іграшкової Всесвіту», – написали Хокінг і Хертога.
Їх результат: всупереч сучасним сценаріями, інфляція призводить до значно менших коливань у великому масштабі. «Ми з’ясували, що амплітуди (…) експоненціально маленькі, – повідомили фізики. – На підставі цього ми прийшли до висновку, що вічна інфляція продукує Всесвіти, які переважно є однорідними».
«Наші результати породжують сумніви щодо поширеної ідеї, що вічна інфляція створює великою мірою неоднорідні світи з мозаїчною структурою бульбашок-ланок, розділених інфляційними зонами, – пояснили вчені. – Наш космос – фрактальна структура». Дослідники вважають, що космос – це ряд набагато більш простих, менших і однорідних всесвітів.
Якщо їх припущення підтвердиться, ймовірність існування паралельних світів різко зменшиться. «Досі ми не натрапили ні на один інший світ, – написав Він. – А наші результати підтверджують значне зменшення мультиверсума, тому діапазон можливих паралельних всесвітів також став істотно меншим».
Досі ні космічну інфляцію, ані точний хід довести неможливо. Гіпотетичний сигнал цього експоненціального розширення в космічному фоновому випромінюванні трохи пізніше виявився помилковим – замість інфляційних коливань вчені виміряли сигнал космічного пилу.
Теорію Хокінга і Хертога можна буде перевірити завдяки дослідженню гравітаційних хвиль. Вчені сподіваються, що в майбутньому експерименти стануть простіше завдяки космічної обсерваторії LISA, і одного разу вдасться зафіксувати пережитки гравітаційних хвиль, які вивільнилися при космічної інфляції. Сучасним детектори Ligo і Virgo це поки не по силам.