Что на самом деле происходит с нашей Вселенной?

Будет ли Вселенная расширяться вечно или в конце концов превратится в крохотное пятнышко? 

В статье, опубликованной в июне, предполагается, что бесконечное расширение невозможно, и это сильно взволновало все физическое сообщество.

«Люди реагируют очень эмоционально потому, что, если это правда будет обнаружено и доказано, это будет впечатляюще», — сказал Тимм Вразе, физик из Венского технологического университета.

Теперь Вразе и его коллеги опубликовали отдельное исследование, которое приводит свои аргументы в противовес предыдущей статье. Это значит, что теорию постоянно расширяющейся Вселенной пока нельзя исключить.

Темная энергия и космическая экспансия

Наша Вселенная пронизана огромной невидимой силой, которая, кажется, противостоит гравитации. Физики называют эту силу темной энергией. Считается, что именно она постоянно «выталкивает» нашу Вселенную наружу, провоцируя расширение.

Но в июне группа физиков опубликовала статью, в которой утвердждается, что темная энергия меняется с течением времени. Это означает, что Вселенная не будет расширяться вечно, но в конечном итоге может сколлапсировать до тех размеров, которые были еще до Большого Взрыва.

Почти сразу физики обнаружили недостатки теории: несколько независимых групп впоследствии опубликовали статьи, в которых предлагались поправки к гипотезе. В статье, опубликованной 2 октября в журнале Physical Review D, говорится, что в ее нынешнем виде первоначальная гипотеза не может быть оправдана, потому что она не может объяснить существование бозона Хиггса, который, как мы знаем благодаря Большому адронному коллайдеру, существует. Тем не менее, как считает Вразе, который был соавтором этой статьи, с некоторыми теоретическими поправками, гипотеза коллапсирующей Вселенной все еще может быть жизнеспособной.

Как мы объясним все, что когда-либо существовало?

Теория струн, иногда называемая теорией всего, является математически элегантной, но экспериментально недоказанной моделью для объединения теории относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Теория струн предполагает, что все частицы, составляющие Вселенную, на самом деле не точки, а одномерные струны, которые вибрируют. Различия в этих колебаниях позволяют нам видеть одну частицу как фотон, а другую — как электрон.

Однако для того, чтобы теория струн была жизнеспособным объяснением Вселенной, она должна включать темную энергию.

По словам Вразе, можно представить темную энергию в виде шара среди гор и долин, который представляет собой количество потенциальной энергии. Если мяч стоит на вершине горы, он может быть неподвижным, но он может скатиться вниз из-за малейшего возмущения, поэтому он неустойчив. Если мяч находится в долине, он не движется, имеет низкую энергию и находится в стабильной Вселенной, потому что сильный толчок заставил бы его откатиться.

Теоретики, работающие над теорией струн, давно предполагали, что темная энергия постоянна и неизменна во Вселенной. Другими словами, мяч находится в долинах между горами, он не скатывается с горных вершин и не меняется со временем.

Но гипотеза, выдвинутая в июне, предполагает, что для работы теории струн ландшафт не должен иметь гор или долин над уровнем моря. (В этой концепции наша Вселенная находится над уровнем моря, что метафорически обозначает точку, в которой темная энергия начинает либо работать на расширение Вселенной, либо на ее сжатие.)

Скорее, ландшафт имеет небольшой наклон, и «шар темной энергии» катится вниз. «В то время как он катится вниз, темной энергии становится все меньше и меньше», — сказал Вразе. «Высота шара соответствует количеству темной энергии в нашей Вселенной».

В этой теории темная энергия может в конечном итоге «скатиться» ниже уровня моря и начать тянуть Вселенную обратно к своим размерам до Большого Взрыва.

Но есть одна проблема.

По словам Вразе, было показано, что такие неустойчивые горные вершины должны существовать, поскольку существует бозон Хиггса. И было экспериментально доказано, что частицы Хиггса могут существовать на этих горных вершинах («нестабильные вселенные») и могут быть потревожены при малейшем прикосновении.

Трудности со стабильностью вселенных

Камрун Вафа, работающий над теорией струн в Гарварде и старший автор июньской гипотезы подтвердил, что, действительно, оригинальная гипотеза имеет «трудности с нестабильными вселенными». И последующие статьи отразили эту проблему.

Однако, по словам Вразе, даже если гипотезу пересмотреть, «мы все равно не будем в стабильной Вселенной — скорее, все остальное изменится». Согласно пересмотренной версии, горные вершины могут существовать, но стабильные долины не могут (представьте себе форму седла лошади). Мяч должен в конечном итоге начать катиться, и темная энергия должна измениться со временем.

Но если же ипотеза полностью ошибочна, то темная энергия может быть постоянной, мы будем сидеть в долине между двумя горами, и Вселенная будет продолжать расширяться.

Вразе надеется, что течение 10-15 лет спутники, которые более точно измеряют расширение Вселенной, помогут понять, является ли темная энергия постоянной или изменяющейся. Вафа согласился: «Это захватывающий период в космологии и, надеюсь, в ближайшие несколько лет мы увидим экспериментальные доказательства изменения темной энергии в нашей Вселенной».