Млечный Путь №2 (5) 2013 - Олеся Чертова

Сам Пенроуз вот уже более 30 лет разрабатывает теорию твисторов –  объектов и содержащих их миров, на фундаментальном уровне которых имеются только безмассовые кванты (например, фотоны – кванты света). Теория твисторов еще далека от завершения, но уже ясно – на ее основе можно представить физическую реальность, состоящую из «вневременных» сущностей.

Но как эти «плоские круги», Большие взрывы и Большие схлопывания – мгновенные сечения бесконечного цилиндра Бытия – связаны с нашим «реальным» физическим миром?

Проблема понимания физической природы Больших взрывов в теории ССС оказалась тесно связанной с такой знаменитой задачей физики элементарных частиц, как поиск бозона Хиггса. И достигнутый на Большом Адронном Коллайдере успех, о котором мы рассказали в №3-2012 нашего журнала, фактически решил ее. Действительно, согласно Стандартной космологической модели в ранние эпохи своего существования наша Вселенная была «горячей»,  и чем более ранний отрезок ее эволюции мы рассматриваем, тем температура была выше. Очевидно, что на каком-то очень раннем этапе она была такова, что поле Хиггса не взаимодействовало с безмассовыми частицами («эмбрионами» электронов, протонов и т. д.) и в нашей Вселенной (в «нашем эоне») не было частиц, имеющих отличную от нуля массу. И только при охлаждении до критической температуры начала взаимодействия поля Хиггса с безмассовыми частицами во Вселенной появились реальные электроны, протоны и другие массивные частицы и возникло время!  Именно эта температура и соответствует тому, что мы называем Большим взрывом.

Вот почему «инфляционное расширение» – это, по логике Пенроуза, вневременной процесс ДО Большого взрыва. С этой точки зрения такой процесс заканчивается Большим взрывом. Во второй половине позапрошлого века Козьма Прутков спрашивал: «Где начало того конца, которым оканчивается начало?» И в то время такой вопрос был чистой схоластикой. А сегодня Пенроуз дал на него конкретный ответ: начало нашей Вселенной оканчивается Большим взрывом.

И, вероятно, именно поэтому сам сэр Роджер «с недоверием» относится к современным инфляционным моделям, в которых инфляция описывается как весьма короткий (от 10-42 до 10-36 секунды ПОСЛЕ Большого взрыва), но все-таки временной процесс. Так что процесс конформного «растягивания» пространственной сингулярности в объект вселенского масштаба – это не инфляция,  но, по выражению Пенроуза, «то, что выполняет задачи, которые решает инфляция». Это тот самый маленький «перевернутый колокольчик», который не удается изобразить на картинке совместно с большим колокольчиком эволюционной истории нашей Вселенной из-за чудовищного различия их временных масштабов.

Очень важное свойство сечения цилиндра Вечности окружностью Большого взрыва состоит в том, что это сечение должно обладать очень низкой энтропией. «Большой взрыв – это очень-очень организованная форма материи!» – говорит Пенроуз.  Иначе в ходе дальнейшей временной эволюции во Вселенной не выполнялся бы Второй закон термодинамики. А этот фундаментальный физический постулат даже в экстравагантной теории ССС Пенроуз оставляет справедливым. Теория черных дыр предсказывает колоссальный рост энтропии при образовании этих объектов. Причина их возникновения – гравитация. Но это значит, что при Большом взрыве гравитация каким-то образом «не могла активироваться». И это – одна из величайших загадок космологии – загадка «разноэнтропийных сингулярностей»: почему сингулярность Большого взрыва низкоэнтропийна, а сингулярности черных дыр – высокоэнтропийны?

«Над этим мало кто из космологов задумывался», – сказал Пенроуз, и я увидел, как эти слова великого математика воодушевили нескольких молодых слушателей, которые, не найдя свободных кресел в зрительном зале, не ушли в фойе к экранам телевизоров, а, подобравшись к самой трибуне, за которой в нескольких метрах от них говорил САМ сэр Роджер, слушали лекцию стоя, прижавшись к стене у края сцены!

Перейдем теперь, вслед за сэром Роджером,  к рассмотрению Больших схлопываний.

Отметим прежде всего, что схлопывание эона со структурой, подобной той, которую имеет сегодня наша Вселенная, невозможно – ведь тогда в конечную сингулярность попадут и существующие сегодня и возникающие в процессе «стягивания» перед схлопыванием Вселенной новые черные дыры, а их энтропия колоссальна! И энтропия конечной сингулярности тоже будет колоссальной, а для возникновения следующего эона она должна быть очень маленькой. (Это одно из следствий «загадки разноэнтропийных сингулярностей», о которой и говорил Пенроуз.)

Какова же будет структура эона перед схлопыванием? И как долго его ждать? Попробуем оценить время жизни эона.

Нынешняя эволюция, которая после Большого взрыва прошла фазы «горячей вселенной», возникновения атомов, роста гравитационных флуктуаций с образованием звезд, галактик, первых массивных черных дыр, «сегодня» находится на этапе господства скоплений и сверхскоплений галактик. А в очень отдаленном будущем все массивные объекты нашей Вселенной неизбежно окажутся черными дырами. Сейчас  процесс перехода вещества в состояние черной дыры идет в ядрах галактик. Это очень медленный процесс, в котором миллиарды лет играют роль мгновений, но все-таки неуклонный и, в соответствии со Вторым законом термодинамики, необратимый – черные дыры растут непрерывно, постепенно поглощая свет, атомы, планетные системы вместе со звездами и практически ничего не выбрасывая наружу.

Оговорка «почти» говорит о том, что это «ничего» не абсолютно, и связана с тем, что, согласно расчетам С. Хокинга, черные дыры не являются абсолютно холодными, а имеют температуру и, как всякие нагретые тела, излучают энергию.  Как оказалось, чем больше масса черной дыры, тем ее температура ниже. И сегодня самые маленькие и легонькие из известных черных дыр (порядка массы Солнца) являются самыми «горячими», имея температуру, сравнимую с самыми низкими температурами, полученными в лабораториях. А это – миллиардные доли Кельвина. Конечно, тепловое излучение таких объектов ничтожно. Температура же микроволнового излучения, заполняющего Вселенную сегодня, – 2,7К. Так что это излучение передает энергию черным дырам, тем самым охлаждая их. Но расширение Вселенной приводит к такому падению температуры самого реликтового излучения, что когда-то (очень не скоро) все-таки наступит момент, когда фоновое реликтовое излучение станет холоднее черных дыр, они станут излучать энергию в окружающую среду и испаряться при этом. По оценке Пенроуза полное испарение произойдет через гугол (10100!) лет после этого.