Цикличната вселена: съвременната космология и вечното завръщане по Ницше

Ако помолите специалистите по космология за кратък отговор на въпроса къде се намираме в тяхната сфера на знания днес, те ще ви кажат, че ние живеем в един особен период от човешката история, в която благодарение на редица значителни постижения в областта на технологиите, внезапно се  сдобихме с възможността да погледнем далечната ранна Вселена, виждайки онова, което преди не можахме да видим. Например, можем да получим моментална представа за това как е изглеждала Вселената в най-ранните си години, когато са се формирали първите атоми. Можем да получим картина, показваща как е изглеждала Вселената по-късно, когато са се формирали първите звезди и галактики. А сега можем да получим подробно триизмерно изображение на нашата Вселена, както изглежда днес. Ако съпоставим цялата тази информация, която получаваме за първи път в историята на човечеството, ще се сблъскаме с редица доста строги ограничения на който и да е модел за космическата еволюция.

Ако се върнем към различните теории за еволюцията на Космоса от началото на 90-те години, ще видим, че събраните през последното десетилетие данни опровергаха всички тези теории, с изключение на една, която днес се смята за общоприета. Тя представлява съчетание на теорията за „Големия взрив“ в онзи вид, в който се е разработвала през 20-те, 30-те и 40-те години на ХХ век, на теорията за космическата инфлация, предложена през 80-те от Алан Гут, и на последните корекции, за които ще стане дума тук. Тази общоприета теория отговаря и на най-малките детайли на съвременните наблюдения за Вселената. По тази причина много космолози стигат до извода, че най-накрая е открита базовата космическа история на Вселената.

Но аз имам друга гледна точка, която се оформи под въздействие на две събития. Първото са актуалните корекции, за които споменах по-горе. Бих казал, че това дори не са корекции, а истински удар по нашите представи за времето и за историята на Космоса. Второто събитие е свързано с моето участие в разработката на алтернативна теория, която преобръща историята на космическото пространство наопаки: всички събития, създали важните черти на нашата Вселена, са се случвали в друг ред, по други физични закони, в друго време и в други времеви рамки. Независимо от това, този модел е способен да възпроизведе всички успешни прогнози на общоприетата картина –  в същите най-дребни детайли.

Ключовата разлика между тази и общоприетата теория се свежда до природата на времето. В общоприетия модел времето има начало, което ние обикновено наричаме „Големият взрив“. Според този модел, по непонятни за нас причини, Вселената се е превърнала от нищо в нещо като се е изпълнила с материя и енергия. В следващите 15 милиарда години тя се разширява и охлажда. Според алтернативната теория обаче, Вселената е безкрайна. Безкрайно е и времето в смисъл, че то винаги е текло в миналото и винаги ще тече в бъдеще. И в определен смисъл пространството също е безкрайно. В действителност, три пространствени измерения остават безкрайни в продължение на цялата еволюция на Вселената.

Ако говорим по-конкретно, в този модел се предполага, че еволюцията във Вселената е циклична. Тоест, Вселената преминава през еволюционни периоди – от нагорещено до студено състояние, от плътно до разсеяно, от гореща радиация до онази структура, която наблюдаваме днес, а после до състояние на вакуум. След това настъпват поредица от събития, предизвикващи ново начало на цикъла. Празната Вселена се зарежда с енергия, което води до нов период на разширяване и охлаждане. Процесът периодично се повтаря и продължава вечно. Това, което наблюдаваме днес, е просто поредният цикъл.

Концепцията за цикличност на развитието на Вселената не е нова. Хората са я разглеждали още в дълбока древност. Древните индуси например са имали детайлно разработена и обмислена космологична теория, базирана върху идеята за цикличността във Вселената. Те са предполагали, че продължителността на всеки цикъл е 8,64 милиарда години. Това е много точна прогноза, което е впечатляващо, тъй като в ония времена не е имало нито квантова механика, нито теория на струните. Обаче не съвпада с онази цифра, която смятам да предложа аз. Според мен продължителността на цикъла е не милиарди, а  трилиони години.

Цикличната концепция е периодично повтаряща се тема в западната научна мисъл. За цикличния модел на Вселената говореха Едгар По и Фридрих Ницше (мотивът за вечното завръщане), а в зората на релативистката космология от идеята за цикличността са се интересували Алберт Айнщайн, Жорж Льометър и Ричард Толман. Мисля, че е напълно обяснимо защо идеята за цикличността е била толкова привлекателна за много учени.  Ако има Вселена с начало, то трябва да обясниш защо тя е започнала и при какви условия. А ако Вселената е циклична, тоест вечна, началото й не се нуждае от обяснение.

При опитите да се включат идеите на цикличността в съвременната космология, през 20-те и 30-те години на ХХ век учените установяват, че съществуват различни проблеми от техническо естество. По онова време господства идеята, че има цикъл, в който нашата триизмерна Вселена преминава през периоди на разширяване, започвайки от „големия взрив“, а после се връща към съкращаването и „голямото свиване“. След това Вселената се взривява и отново започна разширяване.

Но проблемът е там, че всеки път, когато Вселената достига до стадия на „голямото свиване“, нейната плътност и температура се увеличават до безкрайна величина, и затова не е ясно приложими ли са в този случай обичайните закони на физиката. Второ – всеки цикъл на разширяване и свиване поражда ентропия (физична величина, представляваща мярка за безпорядъка на термодинамичните системи – бел.ред.) чрез естествени термодинамични процеси, и тази ентропия се наслагва върху ентропията от предишните цикли. По този начин, в началото на новия цикъл плътността на ентропията е по-висока, отколкото в предишния цикъл. Оказва се, че продължителността на цикъла се променя в зависимост от плътността на ентропията. Ако ентропията нараства, продължителността на цикъла също се увеличава.

И така, придвижвайки се напред във времето, циклите стават все по-продължителни – всеки нов е по-дълъг от предишния. Проблемът е в това, че при екстраполация назад във времето циклите стават по-къси дотогава, докато след определен краен времеви промеждутък не достигнат нулева продължителност. Проблемът за началото не е решен; него просто го изместват назад в някакво крайно количество цикли. Ако искаме отново да представим идеята за истинската цикличност на Вселената, ще трябва да преодолеем тези два проблема. В цикличният модел, който ще представя, новите идеи се използват именно с тази цел.

За да разберем защо алтернативният модел си струва да се отстоява, е важно да получим по-подробна представа за това как изглежда общоприетата картина. Бих искал обаче да посоча, че като цяло общоприетият модел не е толкова прост. В частност, последните наблюдения ни накараха да внесем някои корекции, правещи го по-сложен. Затова позволете ми да започна с краткия преглед на този общоприет модел.

Тази теория започва от „Големия взрив“. Вселената има начало. Това е стандартното предположение, което хората сочат през последните петдесет години. Но днес ние не можем да го докажем с никакви фундаментални закони на физиката. Освен това, трябва да тръгнем от там, че Вселената започва от плътност на енергията, по-ниска от критичната стойност. В противен случай тя би спряла да се разширява и свива до следващия етап на еволюцията, наричан инфлационна епоха. Освен това, за да се достигне инфлационният стадий,  трябва да съществува някаква енергия, задвижваща инфлацията. Обикновено изхождат от това, че тук действа инфлационно поле. Ще трябва да предположим, че в онези участъци от Вселената, които са се появили при до-критичната стойност на плътността, голяма част от енергията се е съхранила във вид на инфлационна енергия, за да може тя след време да изпревари Вселената и да започне периода на ускореното разширяване. Всичко това са доста разумни предположения, и все пак това са само предположения и нищо повече. Важно е да се вземат това под внимание, защото то помага при сравняването на общоприетия модел с алтернативния, който я оспорва.

Ако предположим, че тези условия са спазени, се получава, че инфлационната енергия през няколко мигновения настига материята и излъчването. Започва инфлационната епоха и разширяването на Вселената се ускорява стремително и яростно. Инфлацията твори чудеса: тя прави Вселената еднородна, тя прави Вселената плоска, и тя оставя след себе си нееднородности, които, както бихме могли да предположим, ще се превърнат в семена за формиране на галактики. Сега Вселената е готова да навлезе в следващия етап от еволюцията при наличие на необходими условия. Според инфлационния модел, инфлационната енергия се превръща в горещ газ, състоящ се от материя и радиация. Примерно след една секунда се образува първото леко ядро. След няколко десетки хиляди години бавно движещата се материя вече преобладава във Вселената. На тези етапи се формират първите атоми, Вселената става прозрачна и там започва да се формира структурата – първите звезди и галактики. До този момент историята е много проста.

Неотдавна обаче бе направено откритие, според което ние навлязохме в нов етап от еволюцията на Вселената. След като звездите и галактиките са се формирали, става нещо странно, нещо, което отново предизвиква ускорено разширяване на Вселената. През онези 15 милиарда години, когато във Вселената са преобладавали материята и радиацията и се е формирала структурата, нейното разширяване се е забавяло, защото материята и радиацията вътре в нея са взаимно привличащи се и се съпротивляват на разширяването на Вселената. До неотдавна се предполагаше, че материята и в бъдеще ще е преобладаваща форма на енергията във Вселената и че забавянето ще продължава вечно.

Но в резултат на последни наблюдения ние установихме, че разширяването на Вселената се ускорява. Това означава, че по-голямата част от енергията на Вселената е нито материя и нито радиация. По-скоро някаква друга форма на енергия изпреварва материята и радиацията. Поради липса на по-подходящ термин, тази нова форма на енергия я наричат тъмна енергия. Тъмната енергия, за разлика от познатите ни материи и радиации, е антигравитационна. Затова тя предизвиква ускорение, а не забавяне на Вселената. Според класическата теория за гравитацията на Нютон, цялата маса притежава сила на притегляне, обаче Айнщайн в своята теория допуска възможността на такива форми на енергия, които имат силата на отблъскване.

Не мисля, че физиците и космолозите, а и обществото като цяло, напълно осъзнават последиците от това откритие. Това е революция във велик исторически смисъл – от рода на откритието на Коперник. В действителност, ако  говорим за Коперник, от когото взехме думата „революция“, неговата значимост е в това, че той промени нашите представи за пространството и за мястото ни във Вселената. Показвайки, че Земята се върти около Слънцето, той постави начало на появата на цяла редица от идеи, които доведоха до разбирането, че ние живеем не в някакво особено място във Вселената и че в нашето местоположение няма нищо изключително.

И сега ние открихме нещо много странно в природата на времето, а именно – ние живеем не в някакво особено място, а в особено време, в което започна преходът от забавяне към ускорение. Ако преди във Вселената са преобладавали материята и радиацията, то сега те много бързо се превръщат в не толкова значими компоненти. Ако преди структурата се е формирала в постоянно увеличаващ се мащаб, то сега, поради това ускорено разширение, формирането на структурата спира. Ние се оказахме в средата на прехода между тези два етапа на еволюцията. Както и при  предположението на Коперник, че Земята не е центъра на Вселената, което породи появата на редица идеи, променили всичките ни представи за структурата на Слънчевата система, а с времето и за структурата на Вселената, така също не бива прекалено да ни учудва, че новото откритие за космическото ускорение би могло да доведе до промяна на всичките ни възгледи за историята на Космоса. И това е важен мотив за да помислим за нашето алтернативно предположение.

Имайки предвид всички тези мисли за общоприетия модел, нека се върнем към теорията за цикличността. Тъй като става дума за цикли, аз мога да започна обсъждането им от каквато точка си пожелая. За да бъде дискусията паралелна, ще започна от онази точка, която е аналогична на „големия взрив“. Ще я нарека просто „взрив“ или „пукот“. Това е точката на цикъла, в която Вселената достига най-висока температура и плътност. Но в моя сценарий, за разлика от модела на „големия взрив“, температурата и плътността не варират. Има максимална, крайна температура. Това е много висока температура, равняваща се на около 1020 градуса по Келвин. При такава температура атомите и ядрата се разлагат на своите елементарни съставни части. Но тази температура не е безкрайна. В действителност, тя е значително по-ниска от така наречената енергийна ска́ла на Планк, в която преобладават ефекти на квантовата гравитация. Теорията започва с взрив, а после направо преминава към етапа, в който преобладава излъчване. В нашия сценарий няма онази инфлация, която срещаме в стандартния сценарий. И все пак ние трябва да обясним защо Вселената е плоска, защо е еднородна, и откъде идват колебанията,  водещи до формиране на галактики. Това не се обяснява с ранен етап на инфлацията. Това се обяснява от друг етап в цикличната Вселена, за който ще стане дума по-нататък.

В този нов модел ние се приближаваме непосредствено към Вселена, в която преобладава радиация, и в която има ядра в излишък. После директно отиваме към Вселена, където преобладава материя и където се формират атоми, галактики и структура от по-голям мащаб. След това преминаваме към етап на Вселена, в който доминира тъмната енергия. В стандартната теория тъмната енергия се появява неочаквано, тъй като трябва да се впише в нея, за да съответства на онова, което наблюдаваме. В нашия цикличен модел тъмната енергия излиза на сцената като ключов компонент за движението на Вселената. Първото нещо, което прави тъмната енергия, когато започва да преобладава във Вселената, е това, което наблюдаваме днес. Тя предизвиква ускорено разширяване на Вселената. Защо е важно това? Макар темповете на това ускорение да са сто пъти по-бавни, отколкото на ускорението при инфлация, ако на Вселената й се даде достатъчно време, тъмната енергия ще направи същото, каквото прави и инфлацията. С течение на времето тя разрежда материята и излъчването във Вселената, правейки ги все по-еднородни и равнопосочни. И това го прави перфектно, довеждайки Вселената до състояние на вакуум.

Вселената става не само еднородна и равнопосочна, но също така и плоска. Ако тя би имала някакви отклонения или извивки, или ако в нашата представа Вселената би се разширявала за дълъг период от време, пространството би станало прекалено плоско. Разбира се, ако това би продължило вечно, историята ще свърши. Но в нашия сценарий, както и в инфлационния, тъмната енергия съществува ограничено време и предизвиква редица събития, които постепенно довеждат до трансформация на енергията от силата на притегляне в нова енергия и излъчване, а те на свой ред стартират нов период на разширяване на Вселената.

От гледна точка на местен наблюдател, всичко изглежда така, сякаш Вселената преминава през точни цикли. Тоест, Вселената сякаш се опустошава във всеки цикъл и се създава нова материя и радиация, което на свой ред води до нов период на разширяване. В този смисъл Вселената е циклична. Но ако бихме били наблюдатели от глобален мащаб и бихме могли да виждаме цялата Вселената, то бихме установили, че в тази история нашите три измерения са вечно безкрайни. Става следното. Във всеки етап, в който се създава материя и радиация, те се разреждат. Тях ги има някъде, но те стават все по-разредени. От гледна точка на местен наблюдател, Вселената изглежда циклична, но в глобален мащаб Вселената преминава през устойчива и равна еволюция. Това е отчетливо изразена епоха, в която с преминаването от един цикъл в друг с течение на времето и по всички три наши измерения се увеличава ентропията.

Как именно става това, може да се опише по различни начини. Аз предпочитам да представя една доста симпатична геометрична картина, за стимулиращ мотив на която послужи теорията на супер-струните. Ние използваме само няколко базови елемента от теорията на супер-струните и затова няма нужда от неин дълбок анализ, за да стане ясно за какво иде реч. Единственото, което трябва да се знае е, че онези странни неща, с които ще ви запозная, аз представям не за първи път. Те вече съществуват в теорията на супер-струните и чакат да бъдат използвани за полезно дело.

Една от идеите на теорията на супер-струните е, че допълнителни измерения не съществуват. Това е много важен елемент в тази теория, който е необходим, за да не звучи тя в математически план противоречиво, а логично. Според тази теория във  Вселената съществуват 11 измерения. Шест от тях са свити в малко кълбо и в интерес на моя разказ ще се престоря, сякаш изобщо ги няма. Но има три пространствени измерения, едно времево и едно допълнително измерение, което искам да разгледам. В тази картина познатите ни три измерения, в които ние се движим, минават по дължината на хиперповърхността, или мембраната. Тази мембрана е границата на допълнителното измерение. От другата страна също има граница, или мембрана. Помежду им се намира допълнително измерение, което съществува с определени интервали.

Това е като сандвич. Ние сме на единият му край, а в промеждутъка се намира така нареченият сумарен обем на пространството. Тези повърхности се наричат брани (произходът на думата идва от „мембрана“). Браните притежават физични свойства. Те имат енергия, имат кинетичен момент, и когато ние ги възбуждаме, на едната от браните могат да бъдат създавани кварки и електрони. Ние се състоим от кварки и електрони, намирайки се на една от тези брани. А тъй като кварките и лептоните могат да се движат само по дължината на браната, нашите движения са ограничени и ние виждаме само три измерения на нашата брана. Ние не можем непосредствено да виждаме сумарния обем на пространството или материята на другата брана.

В цикличната Вселена тези две мембрани се сблъскват с редовен интервал от трилиони години. В резултат на това възникват смущения – частици и излъчване. От сблъсъка браните се нагряват, а после отново се раздалечават. Те се привличат една друга чрез сила, чието действие наподобява пружина. По тази причина браните се сближават през редовни промеждутъци от време. Това може да се опише и по-подробно. Става следното. Вселената преминава през два типа етапи на движение. Когато в нея има материя и излъчване, или когато браните се намират достатъчно далеч една от друга, основното движение е разтягане на браните или, съответно, нашето триизмерно разширяване. В този период браните се намират на повече или по-малко постоянно разстояние една от друга. Например ето какво е ставало през последните 15 милиарда години. На тези етапи нашите три измерения са се разтягали както обикновено. На микроскопична отдалеченост се е намирала друга разширяваща се брана. Но тъй като през това разстояние ние не виждаме, не усещаме и не долавяме, ние не можем непосредствено да я открием. Ако там има парченце материя, ние можем да усетим силата на гравитацията, но няма да видим нито светлината, нито онова, което тя изпуска – тъй като всичко, което тя изпуска, се движи по дължината на онази брана. А ние виждаме само онова, което се движи покрай дължината на нашата брана.

После, енергията, която е свързана със силата, намираща се между тези две брани, започва да преобладава във Вселената. От гледна точка на нашата представа, това действа на едната от браните точно както наблюдаваната днес тъмна материя. Тя кара браните да ускоряват своето разтягане до онзи момент, когато създадените след последния сблъсък материя и излъчване се разпространят, и браните се превръщат на практика в гладки, плоски и кухи повърхности. Можем да си ги представим така: преди посочения момент те са били сбръчкани, пълни с материя, а после в продължение на трилион години се разтягат на фантастично разстояние. Такова разширяване предизвиква разреждане на масата и енергията на браната и изглаждане на гънките. След трилион години браните стават гладки, плоски, паралелни и празни.

След това силата между тези две брани бавно ги събира заедно. Колкото повече браните се сближават, толкова повече се увеличава тази сила, и те започват да се устремяват все по-бързо една към друга. Когато те се сблъскват, се получава мощен удар – достатъчно силен, за да създаде висока плътност на материя и излъчване с много висока, макар и крайна температура. Двете брани се разлетяват настрани, горе-долу там, където са били, а след това новата материя и радиация чрез притегляне карат браните да започнат нов период на разтягане.

От тази картина става ясно, че Вселената преминава през периоди на разширяване и доста необичайно свиване. Там, където двете брани се събират, се свива не нашето измерение, а допълнителното. Преди свиването цялата материя и радиация се разпространяват, но за разлика от старите циклични модели от 20-те и 30-те години, те не се събират по време на свиването, защото трите наши измерения, тоест брани, остават в разтегнато състояние. Свива се само допълнителното измерение. И този процес се повтаря цикъл след цикъл.

Ако сравним цикличния модел и общоприетата картина, ще видим, че двете функции на инфлацията, а именно сплескването на Вселената и преминаването й в еднородно състояние, приключват към периода на ускореното разширяване, който при нас тъкмо сега започна. Разбира се, аз имам предвид аналогичното разширяване, което е станало преди един цикъл, преди последния взрив. Третата функция на инфлацията – създаването на колебания в плътната среда – се осъществява, когато двете брани се събират. Със сближаването им квантовите колебания започват да предизвикват сбръчкване на браните. А тъй като те са смачкани и имат гънки, сблъсъкът не става навсякъде едновременно. По-скоро, някъде се случва по-рано, а другаде по-късно. Това означава, че някои области се загряват до крайна температура и започват да се охлаждат малко по-рано от другите. Когато браните отново се раздалечават, температурата във Вселената не е съвсем еднородна. Там има пространствени вариации, останали от квантовите гънки.

Забележителното е, че въпреки голямата разлика на тези физични процеси, както и на времевите рамки (всичко става в течение на милиарди години, а не за 10-30 секунди), се оказва, че спектърът на колебанията, който получаваме при разсейването на енергията и температурата, практически е същият, както и при инфлацията. Следователно, цикличният модел напълно се съгласува с всички измервания на температурата и разпределянето на масата във Вселената, които имаме днес.

Тъй като физичните процеси в тези два модела са абсолютно различни, трябва да има важна разлика в онова, което бихме могли да наблюдаваме, ако единият или другият модел съответстват на действителността – макар че този ефект засега още не е открит. В инфлационният модел колебанията възникват не само в енергията и температурата. Те също така се появяват в пространството и времето, и това са така наречените гравитационни вълни. Това е онази особеност, която се надяваме да открием по време на експериментите през следващите десетилетия в хода на проверяването на общоприетия модел. В нашият модел такива гравитационни вълни няма. Съществената разлика е в това, че инфлационните колебания се създават по време на свръх-бърз и бурен процес, който е достатъчно силен, за да създаде гравитационни вълни. А колебанията в цикличния модел възникват в резултат на бавен и спокоен процес, който е прекалено слаб, за да поражда гравитационни вълни. Това е пример за радикални разлики между тези модели на ниво експериментална прогноза. Просто в днешно време това не е лесно да бъде наблюдавано.

Най-интересното днес е това, че се появяват две парадигми. От една страна, те кардинално се различават една от друга по отношение на това, което ни разказват за природата на времето, за историята на нашия Космос, за последователността на събитията и за времевите рамки, в които тези събития се случват. От друга страна, тези парадигми са изключително сходни в този смисъл, че дават прогноза за Вселената. В крайна сметка, правилността на едната или другата теория ще се потвърди като се съчетаят наблюденията с теорията. Цялата работа е там, че ключовият аспект на този сценарий води до предположения за това какво се случва при сблъсъка между браните, което, на свой ред, може да бъде проверено или опровергано от теорията на супер-струните. Междувременно, в следващите няколко години всички ние ентусиазирано ще даваме предположения за последиците на всяка от тези идеи и за това как по най-добрия начин да посочим разликите между тях.

*Този текст е създаден преди оповестяването на научното откритие от февруари т.г. за засичането на гравитационни вълни, образувани от сливането на две черни дупки. Имаме намерение да проследим как ще се отрази новото откритие на теорията на проф. Стайнхард, въпреки че то не я отрича (учените, поддържащи теорията за цикличната вселена, считат, че гравитацията не е основоопределящата сила в нейния живот и не е главната причина за протичащите процеси) (бел.ред.)

Превод: Снежана Никифорова / Memoria de futuro

Източник: salon.com

   АКО МЕМОРИЯ Е ПОЛЕЗНА ЗА ВАС, ПОДКРЕПЕТЕ НИ ТУК

 Или станете наши приятели във ФЕЙСБУК