Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты
Конечно же, для космологов вопрос первостепенной важности — что же происходило в момент «начала»? Согласно теории струн, возможно, никакого начала мироздания и не было. В струнной космологии предлагаются модели того, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва, и сценарии перехода через него. Сейчас наиболее популярны две модели.
В конце 1980-х гг. Р. Бранденбергер и К. Вафа, применив теорию струн, получили следующий космологический сценарий. По мере приближения к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до максимума на планковском масштабе и затем начинает уменьшаться. Этому способствует наличие Т-дуальности. «На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению»[238].
В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения свернуты до планковских размеров, совершенно равноправны и полностью симметричны. Затем в тот же планковский момент времени происходит нарушение симметрии, и три пространственных измерения отбираются для последующего расширения за счет аннигиляции намотанных на измерения струн и антиструн или, другими словами, «снижения сдерживающего действия намотанных струн» только для трех измерений[239]. Остальные измерения пространства сохраняют исходный планковский размер. Затем на арене этих трех измерений происходит инфляционное раздувание Вселенной, после которого наступает период фридмановского расширения.
«Првдвзрывной сценарий». А вот как выглядит вариант струнной космологии, который носит название «пред-взрывной сценарий», с точки зрения первооткрывателя теории струн итальянского теоретика Г. Венециано, в настоящее время активно занимающегося построением космологических моделей на основе своего детища — теории струн[240]. Было время, когда «В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север»[241]. Действительно, попытка искать ответ на вопрос о том, «что было, когда ничего не было»[242], кажется безумной даже в позитивном безумном боровском смысле[243]. Но развитие теоретической физики все чаще заставляет космологов задумываться о том, что могло быть до известного начала мира[244]. И определенные конструктивные решения удалось получить. На наш взгляд, это действительно конструктивные решения, и им явно не хватает концептуальной новизны и глубины. В теории струн было показано, что Большой взрыв не был началом образования Вселенной, а лишь следствием ее предыдущего состояния.
В отличие от предыдущей модели, в которой Вселенная рождается из комка планковских размеров, и этот момент можно рассматривать в качестве начала существования мироздания, Г. Венециано и М. Гасперини предположили, что Вселенная существовала всегда. В далеком, возможно, бесконечно далеком прошлом она была бесконечно протяженной, холодной и почти пустой. Силы природы, управляемые дилатонным полем, были настолько слабы, что частицы практически не взаимодействовали друг с другом. «Такие силы, как гравитация, были слабы»[245]. «Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым, и в результате произошёл резкий скачок температуры и плотности энергии»[246]. «Силы постепенно росли, и материя начала сгущаться»[247]. В некоторых областях плотность возросла настолько, что сформировалась черная дыра, которая разрасталась с ускорением. «Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, т. е. Вселенная разбивалась на обособленные части»[248].
Плотность вещества, устремлявшегося к центру дыры, возрастала, пока не достигла предела, определяемого теорией струн. Когда плотность материи достигла максимально допустимой величины, квантовые эффекты привели к Большому взрыву. «…Трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту»[249]. Тем временем снаружи возникали другие черные дыры (ЧД), которые затем тоже становились вселенными. Важная особенность данной модели состоит в том, что Вселенная расширялась как до Большого взрыва (ускоренное расширение), так и после него (расширение с замедлением). «Большой взрыв, возможно, был не моментом возникновения Вселенной, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению»[250].
Нужно отметить, что в отношении каждого сценария возникает много вопросов. В частности, по поводу приведенного утверждения Г. Венециано о возникновении и эволюции космологической ЧД в его модели возникают следующие вопросы. Что такое материя и вещество снаружи ЧД? Что именно засасывала ЧД? Далее, существовало ли только одно дилатонное поле или были и другие формы материи? Планковское состояние Вселенной включало в себя уже не одно (что было бы предпочтительно с точки зрения единой теории), а по крайней мере, два материальных субстрата: материальные струны и дилатонное поле? И другие.
Согласно Г. Венециано, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространства-времени будет расти, но не достигнет бесконечного значения, как в сингулярности, а в некоторый момент ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. С точки зрения Г. Венециано, это — чистый вариант устранения сингулярности: «До появления теории струн физики отчаянно пытались придумать механизм, который мог бы так чисто устранить сингулярность»[251].
«В соответствии с такой моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него»[252]. Но с этим трудно согласиться, либо необходимы какие-то дополнительные обоснования. По-видимому, Вселенная не может тождественно повторяться. Дело в том, что информация при коллапсе Вселенной, даже не доходя до сингулярности, а уже у планковского порога, разрушается. Это может происходить, например, вследствие действия мощных приливных сил, разрушающих любые структуры сжимающейся Вселенной, и следовательно, при этом происходит потеря информации о структурном устройстве Вселенной. Поэтому зеркального повторения Вселенной быть в принципе не может. Хотя Вселенная и может воспроизводиться, видоизменяясь. Эту особенность можно назвать принципом неповторимости нашей Вселенной.
Что же представляет собой Большой взрыв? Авторы этого сценария считают, что «Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр — не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной»[253].
Г. Венециано проводит различие между струнной космологией и космологией на основе ОТО. «Общая теория относительности подразумевает конечность бытия — расширяющаяся Вселенная должна была возникнуть в результате Большого взрыва»[254]. Но ОТО — классическая теория, и она предсказывает возникновение Вселенной из физически бессмысленного с точки зрения этой теории сингулярного состояния. Все дело в том, что «в самом начале Большого взрыва теория относительности не действовала, поскольку все происходившие в тот момент процессы носили квантовый характер»[255]. В любом квантовом обобщении космологии сингулярность устраняется и все начинается с планковского состояния Вселенной. Вселенная, возможно, существовала и до планковской эпохи. «Симметрия теории струн предполагает, что у времени нет ни начала, ни конца. Вселенная могла возникнуть почти пустой и сформироваться к моменту Большого взрыва или пройти несколько циклов гибели и возрождения»[256]. В космологии «начала» космологи предложили следующие две альтернативы, связанные с объяснением однородности Вселенной: на начальной стадии развития Вселенная была либо намного меньше, либо намного старше, чем считалось раньше. Первая альтернатива связана с популярной в настоящее время моделью инфляционного расширения, которая объясняет ряд космологических проблем, однако в ней остаются пока без объяснения, по крайней мере, две концептуально важные вещи: что представлял собой инфлатон и откуда у него взялось столько потенциальной энергии? Согласно второй альтернативе не было никакого начала. «Если время началось не в момент Большого взрыва, а Вселенная возникла задолго до начала нынешнего космического расширения, то у материи было достаточно времени, чтобы плавно самоорганизоваться»[257].