Вопросы о том, действительно ли мы живем на бране и существуют ли другие браны в многомерном балке, до сих пор остаются открытыми. Тем не менее идея циклической Вселенной имеет некоторую привлекательность, поскольку является одной из немногих разумных альтернатив теории инфляции, допускающей вероятность повторения ее успехов. Какие формы в итоге примут модели инфляции и экпиротической Вселенной, пока не ясно. Новейшие экпиротические модели вообще не предусматривают никаких бран, в то время как некоторые современные версии инфляции допускают их существование. Основное различие между этими моделями заключается в том, что теория инфляции решает ряд космологических проблем с помощью периода быстрого расширения в очень ранней Вселенной, тогда как экпиротическая модель предусматривает для этого период медленного сжатия непосредственно перед отскоком. В модели мира на бране это происходит во время сближения бран. Как и инфляция, экпиротическая модель может оказаться совместимой с наблюдаемым распределением материи в современной Вселенной, и, возможно, даже объяснит, почему наш космос кажется таким однородным и плоским (в том смысле, что он не заворачивается сам в себя и не имеет сложной геометрии в большом масштабе). Тот факт, что пространство кажется странно однородным, имеет смысл, если браны огромны и перед отскоком располагаются параллельно друг другу. В этом случае взрыв может произойти везде в одно и то же время, а за счет небольших квантовых флуктуаций могут образоваться области более высокой плотности, из которых впоследствии сформируются галактики, их скопления и вся структура космического пространства.

Тем не менее, как и в случае с инфляцией, многие теоретические вопросы все еще не решены. Самый важный из них сводится к тому, что именно происходит во время отскока. Возникает ли истинная сингулярность? Или отскок не предполагает достижения максимальной плотности, что позволяет допустить возможность сохранения части информации и ее перехода на следующий цикл? Последняя версия модели предполагает очень незначительное сжатие, так что ничего похожего на сингулярность в ней не возникает. Вместо столкновения бран в этой модели предусмотрено сжатие, обусловленное скалярным полем, которое напоминает поле Хиггса или то, что, по нашему мнению, могло вызвать инфляцию. Эта модель предполагает заманчивую возможность передачи информации на следующий цикл, а также нашу принципиальную способность когда-нибудь обнаружить соответствующие доказательства.

Что подводит нас к вопросу о данных наблюдений. Поскольку и теория инфляции, и экпиротическая модель разрабатывались для решения одних и тех же космологических проблем, чтобы подтвердить или исключить любую из них, нам, вероятно, придется постараться. Все, что мы наблюдали в космосе до сих пор, кажется совместимым со стандартной инфляционной моделью, но мы не находили неопровержимых доказательств ее правильности. Однако мы также не видели ничего, что доказывало бы или опровергало экпиротический сценарий. На протяжении многих лет ученые спорят по поводу теоретического превосходства циклических моделей над инфляционными, но что касается наблюдений, вопрос остается открытым. И для его окончательного разрешения нам бы очень пригодились однозначные доказательства.

Самой многообещающей идеей может оказаться поиск свидетельств существования первичных гравитационных волн – крупномасштабной ряби в пространстве, которая возникла не в результате слияния черных дыр или нейтронных звезд, а еще в инфляционную эпоху, когда квантовые флуктуации в инфлатонном поле заложили первые семена структуры космического пространства. Их обнаружение послужило бы самым неопровержимым доказательством теории инфляции из всех возможных. В 2014 году участники космологического сообщества ненадолго загорелись энтузиазмом, когда руководители эксперимента под названием BICEP2 объявили, что нашли именно такие доказательства. В ходе исследования поляризации реликтового излучения они обнаружили закручивающийся узор, который могли оставить только гравитационные волны, искривлявшие пространство в эпоху первородного пламени. Это открытие считалось таким революционным, что получение Нобелевской премии за него было практически гарантировано. В конце концов, даже если оставить в стороне последствия для теории инфляции, эти результаты представляли собой неопровержимые доказательства существования гравитационных волн (полученные более чем за год до того, как обсерватория LIGO зафиксировала столкновение черных дыр), а благодаря связи с квантовыми флуктуациями они также были первым доказательством квантовой природы гравитации.

Но позднее выяснилось, что это не верно.

Спустя несколько месяцев физики и астрономы, не участвовавшие в экспериментах BICEP2, независимо друг от друга проанализировали данные и пришли к выводу, что обнаруженный узор можно полностью объяснить чем-то гораздо более приземленным: обычной космической пылью, наполняющей пространство галактики Млечный Путь. Если бы первичные гравитационные волны удалось обнаружить, они послужили бы доказательством против экпиротической модели, которая не предусматривает инфляционное «космотрясение», способное их породить. К сожалению, их не обнаружили, что отбросило нас на исходную позицию. Несмотря на то что теория инфляции предсказывает существование первичных гравитационных волн, она не говорит о том, что они должны быть обнаруживаемы. Самые популярные модели инфляции предполагают существование достаточно мощных гравитационных волн, однако вполне возможно представить модель, предусматривающую очень слабый сигнал, который нельзя отличить от помех, вызываемых космической пылью. Правда, то, что пыль стоит у нас на пути, в принципе не доказывает и не опровергает факт существования данного сигнала.

Тем не менее подсказки можно получить и из других источников. Мы можем доказать или опровергнуть существование бран в ходе поисков дополнительных измерений или наконец обнаружить намеки на первичные гравитационные волны. Даже обычные гравитационные волны могут дать нам некоторые подсказки, демонстрируя прохождение сигнала сквозь балк (с помощью или без помощи инопланетян) или помогая нам исследовать структуру пространства-времени путем наблюдения за тем, как оно колышется. Согласно некоторым исследованиям, данные наблюдений за столкновениями черных дыр уже поставили под сомнение теории, предполагающие утечку гравитации в пустоту многомерного пространства. До сих пор результаты всех наших замеров соответствовали простой и скучной картине Вселенной, имеющей лишь три пространственных измерения.

Независимо от того, найдем мы дополнительные измерения или нет, идея циклической Вселенной, скорее всего, останется привлекательной альтернативой инфляционной модели. Одна из причин заключается в проблеме энтропии, то есть постоянного нарастания меры беспорядка во Вселенной, что в итоге приводит к тепловой смерти. Мы можем вычислить количество энтропии в наблюдаемой Вселенной, а также заглянуть в прошлое и выяснить, какой она была раньше, учитывая, что она неуклонно возрастала на протяжении всего периода существования космоса. Судя по всему, история Вселенной началась с высокоупорядоченного состояния, которое отличалось крайне низкой степенью энтропии. Эта идея вызывает сильный дискомфорт у многих космологов. Чем была обусловлена столь низкая степень энтропии в самом начале? Представьте, что вы входите в комнату, в которой, как вы считаете, до вас никого не было, и обнаруживаете на полу бесчисленные ряды фишек домино, выглядящие так, будто они просто упали друг на друга в определенной последовательности. Как это могло произойти?

Главное преимущество некоторых моделей циклических и отскакивающих Вселенных состоит в том, что они позволяют объяснить начальную низкую степень энтропии событиями, предшествовавшими отскоку. Согласно последней версии экпиротической модели, разработанной Полом Стейнхардтом и Анной Иджас, в качестве исходной энтропии современной наблюдаемой Вселенной послужила вся энтропия крошечного участка предыдущей Вселенной.

Эта новая модель (которая была обнародована во время написания данной книги) имеет некоторые существенные преимущества по сравнению с предыдущими версиями экпиротического сценария. В частности, она не предусматривает дополнительных пространственных измерений или сингулярности в момент отскока. На самом деле сжатие может быть довольно умеренным, то есть размер Вселенной может уменьшиться всего в два раза. Если оставить в стороне сложные детали, основная идея модели сводится к тому, что циклическим является процесс эволюции Вселенной и сочетание ее ингредиентов. Как уже говорилось, за сжатие и отскок отвечает заполняющее Вселенную скалярное поле, а не столкновение бран.

Если эта новая циклическая модель действительно описывает нашу Вселенную, то в отдаленном будущем мы заметим, как дальние галактики останавливаются и начинают медленно приближаться к нам. Сначала это будет похоже на раннюю стадию Большого сжатия, сопровождающуюся ростом температуры фонового излучения. Однако мы будем уничтожены еще до того, как заподозрим неладное, когда энергия скалярного поля внезапно преобразуется в излучение, породив Большой взрыв, знаменующий начало очередного цикла Вселенной.

Интересно, что эта новая версия экпиротической модели имеет одно сходство с предыдущей, допуская, что гравитационные волны могут представлять собой своеобразный сигнал, передающийся от одной Вселенной другой. Старая версия допускала прохождение гравитационных волн через балк. В новой версии гравитационные волны могут сохраняться при переходе с одного цикла на другой, поскольку перед отскоком космическое пространство сжимается не слишком сильно. Эти сигналы были бы чрезвычайно трудноуловимыми, но если бы они существовали, то могли бы кое-что рассказать нам о предыдущей Вселенной.

Так что следите за пространством.

Разумеется, экпиротические сценарии не являются единственными моделями отскакивающей Вселенной.

Роджер Пенроуз, пионер современной космологии, коренным образом изменивший наш взгляд на гравитацию, предложил собственную модель циклической Вселенной, в которой Большой взрыв происходит после тепловой смерти предыдущей Вселенной. Эта модель предполагает объединение далекого будущего пространства-времени одной Вселенной с сингулярностью в начале другой. На протяжении многих десятилетий Пенроуз был одним из самых выдающихся космологов, указывающих на серьезность проблемы энтропии в стандартных сценариях ранней Вселенной. И он не считает, что ее можно разрешить с помощью теории инфляции. Недавно он сказал мне: «Когда я впервые услышал об этом, я подумал, что эта теория не проживет и недели».

Альтернативная модель Пенроуза под названием «Конформная циклическая космология» предполагает, что вблизи сингулярности энтропия работает иначе. Если его гипотеза верна, то это означает, что для границы между циклами характерна очень низкая энтропия, и процесс возникновения новой Вселенной не включает стадию инфляции. Модель Пенроуза также предполагает интригующую возможность, что какой-то отпечаток событий, произошедших на предыдущих циклах, может сохраниться в виде наблюдаемых особенностей космического микроволнового фонового излучения. Пенроуз и его сотрудники заявили, что доказательства существования таких отпечатков уже сейчас можно обнаружить в данных, правда, их заявление было воспринято скептически. Будут ли эти особенности реликтового излучения рассматриваться в качестве доказательства существования Вселенной до Большого взрыва, пока не ясно.

Между тем один из разработчиков экпиротического сценария Нил Турок сформулировал совершенно новую модель Вселенной, в которой Большой взрыв является всего лишь переходной точкой. В основе этой гипотезы, разработанной Лэтамом Бойлом, Туроком и их бывшим учеником Кираном Финном, лежат аргументы симметрии из физики элементарных частиц, переведенные на космический уровень. Согласно данной гипотезе, наша Вселенная и обращенная во времени версия космоса встречаются в момент Большого взрыва, словно два конуса, соприкасающиеся вершинами. В недавней статье ученые описали это как «возникающую из ничего пару Вселенная – Антивселенная». Вполне вероятно, что конусообразная сингулярность может предусматривать собственное решение проблемы энтропии, хотя данная модель и ее детали на момент написания этой книги все еще находились на стадии разработки. Тем не менее она дает некоторые конкретные предсказания о природе темной материи, а значит, может быть проверена в ходе предстоящих экспериментов.

Итак, что же дальше? Был ли Большой взрыв уникальным событием или некой катастрофической переходной точкой? Будет ли наше существование резко прервано другой Вселенной, обрушившейся на нас, словно мухобойка из другого измерения? Позволят ли данные из области космологии или физики элементарных частиц, наконец, узнать истинную природу пространства-времени? Насколько мы близки к пониманию далекого будущего нашего космоса и какая дополнительная информация нам нужна для окончательного ответа на этот вопрос?

Чем все закончится?

Как это обычно бывает в науке, изучение космоса предполагает постоянную, непрекращающуюся работу. Однако за последние несколько десятилетий в этой области был достигнут значительный прогресс, и новые идеи возникают все чаще. В ближайшем будущем у нас появятся новые инструменты, которые позволят получить беспрецедентное представление об истории происхождения нашего космоса и предоставят новые сведения о Большом взрыве, темной материи, темной энергии и нашей возможной судьбе. В последней главе данной книги мы поговорим о том, что именно нам могут показать эти новые инструменты, а также о результатах работы на передовом крае науки, которые уже намекают, что наша Вселенная гораздо более странная, чем мы могли себе представить.