matematik

Физики-теоретики из Университета Северной Каролины Лорис Баум и Пол Фрэмптон придумали новую и весьма экзотическую модель вечно пульсирующей Вселенной.


Баум и Фрэмптон ввели в свои уравнения так называемую вакуумную энергию — особое физическое поле, создающее эффект антигравитации. То, что это поле существует и действует, известно уже почти десяток лет. Точнее, в 1998 году астрономы доказали, что скорость расширения нашего Мира не падает, а увеличивается, что естественней всего можно объяснить наличием этого вакуумного поля (его также называют темной энергией). Правда, само по себе подключение темной энергии не заставляет Вселенную пульсировать, скорее наоборот — ведь антигравитация вроде бы должна обеспечить расширение Вселенной на вечные времена. В большинстве космологических моделей, учитывающих существование темной энергии, всё именно так и происходит.

Темная энергия описывается так называемым уравнением состояния, которое имеет на удивление простой вид: давление темной энергии пропорционально ее плотности. Коэффициент пропорциональности принято обозначать буквой w. Он должен быть отрицательным, в противном случае темная энергия не создавала бы антигравитации. Анализ реликтового микроволнового излучения свидетельствует о том, что сейчас w с очень высокой точностью равно минус единице. При таком значении w Вселенная действительно обречена на вечное ускоряющееся расширение, которое, однако, обязано быть монотонным. Такая Вселенная увеличит свои размеры до бесконечности и по ходу дела «разорвет» и уничтожит все материальные частицы, однако произойдет всё это за бесконечное время.

Однако плавное расширение возможно лишь в том случае, если значение w лежит в промежутке от нуля до минус единицы. А вот если оно меньше этого предела, то Вселенная разорвется и исчезнет взрывоподобно и за конечное время — такой сценарий эволюции Вселенной получил название Большой разрыв. Скажем, если бы w равнялся минус четыре третьих, то для нас этот финал наступил бы через 33 миллиарда лет.

От этой печки и танцуют авторы статьи. В их модели Вселенная начинается из несингулярного состояния. На начальном этапе ее расширения коэффициент w в принципе может быть каким угодно, но в конце концов он спускается ниже минус единицы. В результате Вселенная прямиком движется к Большому разрыву, но останавливается у самого его края (при том выборе параметров, которые принимают авторы, — за 10–27 секунды до финала). В этот момент она распадается на независимые «лоскутки» практически пустого пространства, которые удаляются друг от друга со сверхсветовыми скоростями и потому никак друг с другом не взаимодействуют. Это означает, что каждый «лоскут» превращается в самостоятельный мир, ничего не знающий о своем прошлом. Материи в нём нет вообще, только темная энергия и электромагнитное излучение. Энтропия темной энергии равна нулю, а энтропия излучения очень мала.

Самая интересная особенность модели Баума и Фрэмптона состоит в том, что эти «лоскутья» больше не расширяются, а, напротив, начинают сжиматься. Сначала никаких качественных перемен при этом не происходит, даже энтропия не меняется, то есть остается очень незначительной. Дойдя до своих минимальных размеров, эти миры испытывают ряд фазовых переходов, в ходе которых и происходит почти мгновенное рождение обычной материи со всей положенной ей энтропией. В это время они увеличивают свои размеры с гигантским ускорением (это так называемая инфляционная фаза), а потом переходят к спокойному расширению с нормальным ростом энтропии. В конце концов каждый мир приближается к своей точке разрыва, а дальше всё повторяется. Так что каждая пульсация приводит к рождению множества новых пульсирующих вселенных. Принципы термодинамики при этом не нарушаются, поскольку каждый мир рождается с весьма умеренной энтропией.

Источник: Lauris Baum, Paul H. Frampton. Turnaround in Cyclic Cosmology // Physical Review Letters, 98, 071301 (2007)