Перед тем как выдающийся физик современности Стивен Хокинг покинул этот мир, он успел оставить свой последний научный труд — свою последнюю теорию о природе Вселенной, которую он написал в соавторстве со своим бельгийским коллегой Томасом Хертогом из Левенского католического университета. Работа наконец-то была опубликована в научном журнале Journal of High Energy Physics, а более подробно с ней можно ознакомиться в онлайн-библиотеке arXiv.org.
Томас Хертог, который совместно писал работу с Хокингом, сказал, что их целью было «превратить идею мультивселенной в проверяемую научную основу». И в опубликованном в журнале Journal of High Energy Physics материале говорится, что Вселенная гораздо менее сложна, чем предполагают современные теории мультивселенной.
Работа основана вокруг концепта бесконечной инфляции Вселенной, впервые представленного в 1979-м и опубликованного в 1981 году.
После Большого Взрыва Вселенная испытала период экспоненциальной инфляции (быстрого расширения). Затем это расширение замедлилось, а энергия Вселенной перешла в материю и космическое излучение. Однако согласно теории бесконечной инфляции, во Вселенной остались пузыри пространства, которые полностью прекратили расширяться или взяли курс на полную остановку этого расширения, образовав тем самым фрактальные тупики статического пространства. В то же время в других пространственных пузырях из-за квантовых эффектов инфляция не прекратилась, что в свою очередь привело к образованию бесконечного числа мультивселенных. Согласно теории, все, что мы видим внутри наблюдаемой нами Вселенной, заключено лишь в один из таких пузырей. В нем инфляция остановилась, что позволило появиться звездам и галактикам.
Визуализация расширяющейся мультивселенной
«Привычная теория бесконечной инфляции предсказывает, что в общем масштабе наша Вселенная похожа на бесконечный фрактал, с мозаикой из различных карманных вселенных, разделенных расширяющимся океаном», — объясняет Хокинг.
«Местные законы физики и химии могут отличаться от одной карманной вселенной к другой, вместе образующих мультивселенную. Однако я никогда не был фанатом теории мультивселенной. Если масштаб разных вселенных внутри мультивселенной слишком огромен или даже бесконечен, то теорию невозможно будет проверить».
За последние годы модель бесконечной инфляции Вселенной подвергалась серьезной критике. Например, Пол Стейнхардт, физик Принстонского университета, выступил с заявлением о том, что изначально теория, взявшая на себя задачу универсально объяснить все то, что мы наблюдаем во Вселенной, просто сменила модель.
В новой работе Хокинг и Хертог говорят, что модель бесконечной инфляции является неверной, поскольку законы Общей теории относительности Эйнштейна разбиваются на квантовом уровне, становясь бесполезными.
«Проблема с привычной моделью бесконечной инфляции связана с тем, что она предполагает существование фоновой вселенной, которая эволюционирует в соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна и рассматривает квантовые эффекты лишь как незначительные флуктуации», — объясняет Хертог.
«Однако динамика бесконечной инфляции стирает разделение между классической и квантовой физикой. Как следствие, теория Эйнштейна распадается в бесконечной инфляции».
Новая теория берет в основу теорию струн – одну из моделей, которая пытается увязать Общую теорию относительности с квантовой теорией, заменяя самые мельчайшие частицы из физики частиц крошечными колеблющимися одномерными струнами.
Согласно голографическому принципу в теории струн, объем пространства может быть описан его границами. Другими словами, в некотором смысле наша Вселенная подобна голограмме, в которой физически реальное трехмерное пространство может быть математически сведено к 2D-проекции на его поверхности.
Ученые предложили вариацию голографического принципа, который проецирует временное измерение в бесконечной инфляции, что позволяет описать общий концепт без необходимости полагаться на Общую теорию относительности. Это в свою очередь позволило исследователям математически сократить бесконечную инфляцию до бесконечного состояния на пространственной поверхности с начала Вселенной – голограммы бесконечной инфляции.
«Когда мы отслеживали эволюцию нашей Вселенной назад во времени, в какой-то момент мы достигли порога бесконечной инфляции, где наше знакомое понятие времени перестает иметь какое-либо значение», — отмечает Хертог.
В 1983 году Хокинг вместе с физиком Джеймсом Хартлом предложили концепцию безграничной теории Вселенной. В ней ученые говорили о том, что в момент Большого взрыва во Вселенной было только пространство, но не было времени и границ. Концепция Хокинга и Хартла допускала существование параллельных миров, для которых определена единая волновая функция. В этом многообразии вселенных наблюдаемая человеком действительность — лишь одна из возможных.
Согласно новой теории, ранняя Вселенная имела границы, и это позволило Хокингу и Хертогу получить более надежные прогнозы относительно ее структуры.
«Мы прогнозируем, что наша Вселенная в общем масштабе достаточно гладкая и имеет границы. Она не представляет собой фрактальную структуру», — сказал Хокинг.
Полученные в результате этой работы выводы не опровергают идею мультивселенных, однако сокращают их до гораздо меньшего диапазона. Другими словами, теорию мультивселенной в будущем можно будет проверить, если, конечно, выводы Хокинга и Хертога удастся повторить и подтвердить другими физиками.
Сам Хертог хотел бы проверить свои с Хокингом выводы через наблюдения за гравитационными волнами, которые могли бы создаваться бесконечной инфляцией. Эти волны слишком огромны для того, чтобы их можно было определить с помощью интерферометра LIGO, однако будущие интерферометры гравитационных волн, такие как наземный LISA, а также последующие наблюдения за фоновым космическим излучением могли бы их выявить, считает исследователь.