Введение
Космологические модели, включающие неопределенные, самоподдерживающиеся циклы
Циклическая модель (или осциллирующая модель) — это любая из ряда космологических моделей, в которых Вселенная проходит через бесконечные или неопределенные, самоподдерживающиеся циклы. Например, теория осциллирующей Вселенной, которую Альберт Эйнштейн кратко рассматривал в 1930 году, предполагала Вселенную, переживающую вечную последовательность осцилляций, каждая из которых начинается с Большого взрыва и заканчивается Большим сжатием; в промежутках Вселенная расширялась бы в течение определенного времени, пока гравитационное притяжение материи не заставило бы её схлопнуться и испытать отскок.
Обзор
В 1920-х годах физики-теоретики, прежде всего Альберт Эйнштейн, рассматривали возможность циклической модели Вселенной как (вечную) альтернативу модели расширяющейся Вселенной. В 1922 году Александр Фридман представил теорию осциллирующей Вселенной. Однако работа Ричарда К. Толмана в 1934 году показала, что эти ранние попытки потерпели неудачу из-за циклической проблемы: согласно второму закону термодинамики, энтропия может только возрастать. Это подразумевает, что последующие циклы становятся длиннее и крупнее. Экстраполируя в прошлое, циклы, предшествующие нынешнему, становятся короче и меньше, в конечном итоге приводя к Большому взрыву и, таким образом, не заменяя его. Эта сложная ситуация сохранялась на протяжении многих десятилетий, пока в начале XXI века вновь открытая темная энергия не дала новую надежду на непротиворечивую циклическую космологию. В 2011 году пятилетнее исследование 200 000 галактик, охватывающее 7 миллиардов лет космического времени, подтвердило, что "темная энергия разгоняет нашу Вселенную с ускоряющейся скоростью". Одна из новых циклических моделей – это модель брановой космологии создания Вселенной, вытекающая из более ранней экпиротической модели. Она была предложена в 2001 году Полом Стейнхардтом из Принстонского университета и Нилом Туроком из Кембриджского университета. Теория описывает Вселенную, взрывающуюся в существование не единожды, а многократно с течением времени. Теория потенциально может объяснить, почему отталкивающая форма энергии, известная как космологическая постоянная, которая ускоряет расширение Вселенной, на несколько порядков меньше, чем предсказывает стандартная модель Большого взрыва. Другая циклическая модель, основанная на понятии фантомной энергии, была предложена в 2007 году Лаурисом Баумом и Полом Фрэмптоном из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. К другим циклическим моделям относятся конформная циклическая космология и петлевая квантовая космология.
Модель Штейнхардта Турока
В этой циклической модели две параллельные орбитальные плоскости или М-браны периодически сталкиваются в пространстве более высоких измерений. Видимая четырехмерная Вселенная находится на одной из этих бран. Столкновения соответствуют переходу от сжатия к расширению, или Большому Сжатию, за которым немедленно следует Большой Взрыв. Вещество и излучение, которые мы видим сегодня, образовались во время последнего столкновения в соответствии с закономерностью, определяемой квантовыми флуктуациями, возникшими до появления бран. Через миллиарды лет Вселенная достигла состояния, которое мы наблюдаем сейчас; после еще миллиардов лет она в конечном итоге начнет сжиматься вновь. Темная энергия соответствует силе между бран и играет ключевую роль в решении проблем монополей, горизонта и плоскостности. Более того, циклы могут продолжаться бесконечно в прошлое и будущее, и решение является аттрактором, поэтому оно может предоставить полную историю Вселенной. Как показал Ричард Толман, более ранняя циклическая модель потерпела неудачу, поскольку Вселенная неизбежно подверглась термодинамической тепловой смерти.
Модель Баум-Фрэмптона
Эта более недавняя циклическая модель 2007 года предполагает экзотическую форму темной энергии, называемую фантомной энергией, которая обладает отрицательной кинетической энергией и обычно привела бы к Большому Разрыву Вселенной. Это условие выполняется, если во Вселенной доминирует темная энергия с космологическим уравнением состояния, удовлетворяющим условию , для плотности энергии ρ и давления p. В отличие от этого, Стайнхардт–Тюрок предполагают, что в модели Баума–Фрэмптона, за септиллионную (или меньше) долю секунды (то есть 10−24 секунды или меньше) до Большого Разрыва, происходит разворот, и сохраняется только один причинный патч, представляющий нашу Вселенную. Этот патч не содержит кварков, лептонов или переносчиков силы; только темная энергия – и, следовательно, её энтропия исчезает. Адиабатический процесс сжатия этой значительно меньшей Вселенной происходит при постоянной исчезающей энтропии и без материи, включая черные дыры, которые распались до разворота. Идея о том, что Вселенная "возвращается пустой", является центральной новой идеей этой циклической модели и позволяет избежать многих трудностей, возникающих при сжатии материи, таких как чрезмерное образование структуры, размножение и расширение черных дыр, а также прохождение фазовых переходов, таких как КХД и восстановление электрослабой симметрии. Любой из этих процессов мог бы привести к нежелательному преждевременному отскоку, лишь бы избежать нарушения второго закона термодинамики. Условие может быть логически неизбежным в истинно бесконечно циклической космологии из-за проблемы энтропии. Тем не менее, для подтверждения непротиворечивости подхода необходимы многочисленные технические расчеты. Хотя модель заимствует идеи из теории струн, она не обязательно привязана к струнам или к высшим измерениям, однако такие спекулятивные инструменты могут предоставить наиболее эффективные методы для исследования внутренней согласованности. Значение в модели Баума–Фрэмптона может быть сделано сколь угодно близким к, но должно быть меньше, чем, −1.
Другие циклические модели
Конформная циклическая космология — теория Роджера Пенроуза, основанная на общей теории относительности, в которой Вселенная расширяется до тех пор, пока вся материя не распадется и не превратится в свет, — таким образом, во Вселенной не остаётся объектов, связанных с каким-либо масштабом времени или расстояния. Это позволяет ей отождествляться с Большим взрывом, запуская следующий цикл. Квантовая петлевая космология, предсказывающая "квантовый мост" между сжимающимися и расширяющимися космологическими фазами.