Космология

Если вы не совсем поняли суть заголовка, то это нормально, так как тема поста относится к самому передовом краю теоретической физики — Конформной циклической космологии. Даже Википедия, которая всё обо всём знает, ограничивается всего лишь двумя предложениями по этому вопросу.

Создатель теории — англичанин Сэр Роджер Пенроуз, является автором теории твисторов, квантовой теории сознания, гипотезы слабой цензуры, а также изобретателем мозайки Пенроуза и спиновых цепей.

В настоящее время возглавляет кафедру математики Оксфордского университета. В свободное время колесит по миру, читая лекции для студентов различных ВУЗов, в том числе российских, что весьма неплохо для 82-летнего дедушки.

Некоторым может показаться странным, что математик создаёт физические теории. Однако история науки знает множество подобных случаев. Например, Джеймс Максвелл, положивший начало электродинамики и открывший электромагнитную природу света был именно математиком.

Это всего лишь теория!

Такая фраза часто встречается при обсуждении научных вопросов. А загвоздка состоит в том, что слова «теория» в обыденном значении отличается от научного термина «теория». Например: «у меня есть теория, что газеты из почтового ящика ворует Клавдия Семёновна». Слово «теория» здесь означает предположение, в научном языке это называют гипотезой.

А что такое теория в науке? Вообще, у неё довольно длинное и заумное определение, которое можно свести к двум словам — свод знаний. То есть это всё, что мы знаем о явлении. В теорию могут входить гипотезы, математический аппарат, данные наблюдений, результаты опытов и следствия.

Тут надо заметить, что наличие следствий есть очень важное свойство теорий. Настоящие научные теории, помимо объяснения известных данных, должны предсказывать то, что мы ещё не знаем.

Собственно, так и проверяется их верность: верная теория даёт следствия, которые подтверждаются. Потому-то учёные уверены в существовании большого взрыва — он не только объяснил разлетание звёзд и реликтовое излучение, но и позволил вывести конкретные предсказания, в том числе точное соотношение химических элементов в самых старых звёздах.

Прошлое и будущее вселенной через второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики тесно связано с понятием энтропии. Объяснить суть энтропии в двух словах не получится, но нам важно знать два момента: энтропия есть мера хаоса, и она с течением времени увеличивается. Чёрные дыры, например, имеют огромную энтропию, являясь сгустками хаоса в нашей вселенной. С математической точки зрения это значит, что неважно, в каком порядке вы перемешаете частицы чёрной дыры — всё равно в конечном итоге получится та же самая чёрная дыра. Другое дело объекты типа звёзд, они упорядочены, значит их энтропия мала.

Так вот, зная о постоянном увеличении энтропии, можно предсказать будущее вселенной — и это будущее очень уныло. Температура везде равна нулю, нет сложных структур, нет света, нет даже чёрных дыр. Такое состояние называют тепловой смертью. Но если мы отмотаем время назад, то увидим как хаос вселенной, постепенно снижается и достигает минимума в момент рождения.

Таким образом, мы имеем две совершенно разные вселенные: одну, полностью упорядоченную, сжатую и горячую в начале, и другую, огромную, холодную и погружённую в хаос в конце.

Инфляция

В космологии под инфляцией подразумевают невероятно быстрое расширение вселенной, имеющее место в первые мгновения после большого взрыва.

На картинке инфляция показана, как резкое расширение внизу. После инфляции идёт равномерное расширение. Раньше считалось, что оно в некоторый момент может смениться сжатием, либо вселенная будет и дальше равномерно расширяться. Но потом наблюдения показали, и это было потрясением для всех, что вселенная расширяется ускоренно. Это значит, что скорость разбегания галактик растёт. Через много лет она увеличится настолько, что превысит скорость света.

Начало грандиозного расширения это верхняя часть воронки. Постепенно её края будут становиться всё более пологими и в какой-то момент времени станут такими же, как в нижней части. А значит скорость расширения старой вселенной станет равна скорости расширения вселенной, только что родившейся.

Конформные преобразования

Рассмотрим подобные треугольники. Они различаются размерами, однако их соответственные углы равны. Примерно в том же ключе работает математика конформных преобразований — она сохраняет подобие физических процессов.

Вселенная в конце и в начале слишком разная, и по размеру, и по энтропии, и по температуре. Но если применить к ней комформные преобразования, то окажется, что между конечным и начальным состоянием можно поставить знак равенства Это очень сильный ход. Получается, что большой взрыв и тепловая смерть не разные понятия, а две стороны одной монеты. Расширение = инфляция, хаос = порядок, конец = начало.

Проанализировав уравнения, мы получим бесконечный туннель, разделённый на отдельные вселенные моментами перехода. Всякий раз, когда очередная вселенная теряет всю материю и массу, она перерождается. Происходит то, что сейчас называют большим взрывом. А инфляция обеспечивается расширением предыдущей вселенной.

Следствия

Самое грандиозное событие, которое может случиться во вселенной — столкновение гигантских чёрных дыр. При их слиянии часть массы перейдёт в гравитационные волны, которые разлетятся в пространстве. Когда случится переход к другой вселенной, они не исчезнут без следа, а оставят отпечаток в виде кругов.

В самом близком будущем эти круги можно будет обнаружить на снимках реликтового излучения. Более того, Пенроуз со своими коллегами нашёл их на имеющихся снимках. Но только в пределах погрешности измерений.

Более точные данные с новых спутников покажут, существуют ли эти круги на самом деле. Если да — теория подтвердится. Если нет, то конформная циклическая космология присоединится к огромному количеству красивых, но неверных теорий, которые остались на задворках науки.