мастерства. Если теория может сделать это в экстремальных условиях, характеризующих ранние моменты вселенной, она сможет сделать это везде.
Что касается сегодняшнего дня, космология в соответствии с теорией струн/М-теорией находится в стадии разработки исследователями, ориентированными в двух главных направлениях. Первый и более обычный подход представляет, что точно так же, как инфляция обеспечивает недолгую, но основательную начальную часть стандартной теории Большого взрыва, теория струн/М-теория обеспечивает еще более раннюю и, возможно, еще более основательную начальную часть для инфляции. Представляется, что теория струн/М-теория будет прояснять размытое пятно, которое мы использовали для обозначения нашего неведения относительно самых ранних моментов вселенной, а затем космологическая драма будет разворачиваться в соответствии с необыкновенно успешным сценарием инфляционной теории, который мы подробно излагали в предыдущих главах.
Хотя имелся прогресс в специфических деталях, требуемых таким подходом (таких как попытки понять, почему только три пространственных измерения вселенной подверглись расширению, точно так же, как разработка математических методов, которые могут обеспечить подходящий анализ области без пространства и без времени, которая могла предшествовать инфляции), момент для крика 'Эврика!' еще не наступил. Интуитивно понятно, что в то время, как инфляционная космология представляет наблюдаемую вселенную становящейся все более маленькой в совсем ранние времена, – и потому становящейся все более горячей, плотной и энергичной, – теория струн/М-теория обуздывает это буйное (на физическим языке, 'сингулярное') поведение путем введения минимального размера (как в нашей дискуссии на стр. 350–351), ниже которого становятся существенными новые и менее сингулярные физические величины. Это обоснование лежит в сердце успешного соединения ОТО и квантовой механики теорией струн/М-теорией, и у меня сильное ощущение, что мы скоро определим, как применить такое же обоснование в контексте космологии. Но, что касается сегодняшнего дня, размытое пятно все еще выглядит размытым, и можно только гадать, когда будет достигнута ясность.
Второй подход использует сценарий мира на бране и в его самом радикальном воплощении постулирует полностью новую космологическую схему. Далеко от ясности, выдержит ли этот подход детальную математическую проверку, но он обеспечивает хороший пример того, как прорывы в фундаментальной теории могут проложить новые рельсы через хорошо истоптанную территорию. Предложение называется
Циклическая космология
С точки зрения времени обычный опыт ставит нас перед лицом двух типов явлений: тем, что имеет ясно очерченное начало, середину и конец (эта книга, бейсбольная игра, человеческая жизнь), и тем, что циклично, случаясь снова и снова (изменение времен года, восход и закат Солнца, бракосочетания Ларри Кинга*). Конечно, при ближайшей проверке мы узнаем, что циклические явления также имеют начало и конец, поскольку циклы, как правило, не продолжаются вечно. Солнце восходит и заходит – что означает, Земля вращается вокруг своей оси во время обращения по орбите вокруг Солнца, – каждый день примерно 5 миллиардов лет. Но перед этим Солнце и Солнечная система еще формировались. А однажды, примерно через 5 миллиардов лет от сегодняшнего дня, Солнце превратится в красного гиганта, поглотив внутренние планеты, включая Землю, и тогда больше не будет даже понятия восхода и заката Солнца, по меньшей мере, не здесь.
Но это современные научные представления. Для древних циклические явления казались вечно циклическими. И для большинства циклические явления, движущиеся своим курсом и неизменно возвращающиеся снова к началу, являются основополагающими явлениями. Циклы дней и времен года задают ритм работы и жизни, так что не удивительно, что старейшие из записанных космологий воображают разворачивание мира как циклический процесс. Вместо того, чтобы постулировать начало, середину и конец, циклическая космология представляет, что мир изменяется сквозь время почти как Луна изменяется по фазам: после того, как она пройдет через полную последовательность, условия созревают для того, чтобы снова стартовать и начать очередной цикл.
С момента открытия ОТО было предложено много циклических космологических моделей; наиболее известная была разработана в 1930е Ричардом Толменом из Калифорнийского Технологического Института. Толмен предположил, что наблюдаемое расширение вселенной может замедлиться, однажды остановиться, и затем последует период сжатия, при котором вселенная будет все меньше. Но вместо достижения феерического финала, в котором она схлопнется и придет к концу, Толмен предположил, что вселенная может испытать отскок: пространство может сократиться до некоторого малого размера, а затем откатиться, начав новый цикл расширения, который опять сменится сжатием. Вселенная вечно повторяет этот цикл – расширение, сжатие, отскок, снова расширение, – что позволяет элегантно избежать нелегкой проблемы начала, – в таком сценарии сама проблема начала неприменима, поскольку вселенная всегда была и всегда будет.
Но Толмен обнаружил, вглядываясь назад во времени из сегодняшнего дня, что циклы могут повторяться в течение промежутка времени, но не безгранично. Причина в том, что в течение каждого цикла второй закон термодинамики диктует, что энтропия в среднем будет возрастать.[8] А в соответствии с ОТО количество энтропии в начале каждого нового цикла определяет, как долго этот цикл будет длиться. Больше энтропии означает более длинный период расширения, прежде чем движение наружу будет подавлено до остановки и власть перейдет к движению внутрь. Каждый последующий цикл будет, следовательно, длиться намного дольше, чем его предшественник; эквивалентно, более ранние циклы будут короче и короче. Когда постоянное укорачивание циклов анализируем математически, это подразумевает, что они не могут простираться бесконечно далеко в прошлое. Даже в циклической схеме Толмена вселенная будет иметь начало.
Предложение Толмена включало сферическую вселенную, которая, как мы видели, противоречит наблюдениям. Но радикально новое воплощение циклической космологии, содержащее в себе плоскую вселенную, недавно было разработано в рамках теории струн/М-теории. Идея пришла от Пола Стейнхардта и его коллеги Нейла Турока из Кембриджского Университета (с сильным использованием результатов, полученных ими вместе с Бартом Оврутом, Натаном Зейбергом и Джастином Хоури) и предложила новый механизм движения космической эволюции.[9] Излагая коротко, они предположили, что мы живем на 3-бране, которая яростно сталкивается каждые несколько триллионов лет с другой соседней параллельной 3-браной. И 'взрыв' от столкновения инициирует каждый новый космологический цикл.
Базовая схема предложения проиллюстрирована на Рис. 13.7 и была выдвинута несколько лет назад Хофавой и Виттеном в некосмологическом контексте. Хофава и Виттен пытались дополнить предложенное Виттеном объединение всех пяти струнных теорий и нашли, что если одно из семи дополнительных измерений в М-теории имеет очень простую форму – не круг, как на Рис. 12.7, а маленький сегмент прямой линии, как на Рис. 13.7, – и ограничивается так называемыми бранами конца мира, связанными подобно книжным обложкам, тогда может быть сделана прямая связь между Е-гетеротической струнной теорией и всеми остальными. Детали того, как они протянули эту связь, и не очевидны и не существенны (если вы интересуетесь, посмотрите, например,
А именно, Стейнхардт и Турок представили, что каждая брана на Рис. 13.7 имеет три
