Модель циклической вселенной

Человечество накопило огромный багаж знаний об окружающем нас мире. 
Мы знаем, чем питался динозавр, живший миллионы лет назад. Знаем, как выглядела наша планета два миллиарда лет назад.
Можем узнать химический состав далекой звезды, всего лишь по лучу света, которой летел к нам сквозь междзвездное пространство тысячи лет.
Мы разобрали этот мир до самых квантовых винтиков! Но мы все еще не знаем, почему 13,8 млрд лет назад Вселенная появилась, и что было до этого. Попробуем пролить свет на этот вопрос вместе с теорией циклической вселенной.

От теории относительности к Вселенской неопределенности

Альберт Эйнштейн, создавая общую теорию относительности, вывел некую "космологическую постоянную". Без нее уравнение Эйнштейна просто не сходилось!

где - космологическая постоянная.

Позже, в 1922 году, российский физик Александр Фридман доказал, что уравнения Эйнштейна допускают расширяющуюся или сжимающуюся Вселенную.
Примерно в то же время бельгийский физик и священник Жорж Леметр вывел уравнения расширения и предположил, что Вселенная началась с "первичного атома" (позже названного Большим Взрывом).
Эти теоретические работы Фридмана и Леметра оставались малоизвестными, пока в 1929 году Эдвин Хаббл, в честь которого позднее был назван всем известный телескоп, не измерил скорости галактик.
Наблюдая явление "красного смещения" он обнаружил, что Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Это стало законом Хаббла:

В 1998 году ученые обнаружили, что вселенная расширяется с ускорением, а согласно последним данным телескопа JWST, постоянная Хаббла H₀ ≈ 73 км/с на Мпк.
В 2018 году, МАС (Международный астрономический союз) переименовал "Закон Хаббла" в "Закон Хаббла–Леметра".
Историческая справдливость восторжествовала. Как бы там ни было, в 1929 статья Хаббла стала сенсацией.
Ученые поняли, что вселенная непрерывно расширяется. И конечно задались вопросом "Почему?".

Почему она расширяется?

Р. Клаузиус в 1865 году на основании экстраполяции второго начала термодинамики на всю Вселенную пришел к выводу, что с течением времени она должна в конце концов прийти в состояние термодинамического равновесия, или «тепловой смерти». В формулировке Клаузиуса, второй закон звучит как "Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему".

Однако, более поздние исследования Хаббла-Леметра-Фридмана, позволили ученым начала 1930-х, в числе которых был и сам Эйнштейн, выдвинуть гипотезу о циклической вселенной. Суть которой в следующем: вселенная проходит период расширения, после чего гравитационное взаимодействие останавливает расширение и начинается обратное сжатие Вселенной в сингулярность (Большое сжатие), и весь этот цикл повторяется снова и снова. Таким образом, Вселенная существует в периоде между двумя сингулярными состояниями в постоянно повторяющемся цикле расширений и коллапсов.
Объем знаний в 1930-х сильно уступал тем, что имеются в космологии на сегодняшний день, поэтому та модель оставляла вопросы и вызывала критику некоторых ученых.
Например, Ричард Толман, обратил внимание на проблемы энтропии: согласно второму закону термодинамики, энтропия может только возрастать. Вследствие этого, последующие циклы
увеличиваются по масштабам и продолжительности, а из экстраполяции назад во времени следует, что предыдущие циклы оказывались всё более пространственно ограниченными и менее длительными, сходясь к нулевым значениям, то есть снова приводя к первоначальному Большому Взрыву (но не заменяя его).

Однако, с открытием темной энергии, темной материи и М-теории (из теории струн) циклическая модель получила необходимую основу. Одна из новых циклических моделей, построенная физиками-теоретиками из Принстонского университета Полом Стейнхардтом и Нилом Туроком с соавторами в 2001 году, основана на теории
"бран" (от "мембран"). В рамках теории бран предполагается,
что пространство нашей Вселенной является трёхмерной браной (3-браной), расположенной в пространстве более высокой размерности. При этом из формализма теории струн и её обобщения — М-теории — следует, что все частицы материи и частицы-переносчики негравитационных фундаментальных взаимодействий являются струнами с открытыми концами, вследствие чего они укреплены на бране и не могут её покинуть.

Другая известная циклическая космологическая модель - Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна, где в
каждом предшествующем цикле (эоне) время в будущем стремится к бесконечности, что оказывается сингулярностью Большого взрыва для следующего цикла.

Циклическая космологическая модель

Циклическая космологическая модель Роджера Пенроуза (Conformal Cyclic Cosmology, CCC) - радикальную альтернативу стандартной модели Большого Взрыва, предложенная Роджером Пенроузом, нобелевским лауреатом по физике (2020), предложил. В этой теории Вселенная проходит через бесконечную последовательность циклов («эонов»), каждый из которых начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается экспоненциальным расширением. 

Ключевые идеи модели:

1. Отсутствие сингулярности
   • В отличие от классического Большого Взрыва, в модели Пенроуза нет начальной сингулярности.
   • Каждый новый цикл («эон») начинается с конформного отображения (математического преобразования, сохраняющего углы, но «растягивающего» время и пространство).
2. Бесконечное расширение и «перезапуск»
   • В конце каждого цикла Вселенная становится почти пустой — остаются только безмассовые частицы (фотоны, гравитоны).
   • Из-за конформной симметрии бесконечно расширяющаяся Вселенная математически эквивалентна началу новой.
3. «Точки Хокинга» — следы прошлых эонов
   • Пенроуз предположил, что в реликтовом излучении (CMB) должны оставаться круговые аномалии — следы испарения чёрных дыр из предыдущего цикла.
   • Эти структуры он назвал «точками Хокинга» (Hawking Points) в честь Стивена Хокинга, предсказавшего излучение чёрных дыр.

Доказательства и критика

С одной стороны, в подтверждение теории Пенроуза имеются наблюдательные данные:
в 2010 году Пенроуз и его коллеги заявили, что обнаружили аномальные круги в CMB (данные WMAP и Planck).

С другой стороны, большинство космологов посчитали эти структуры статистическими флуктуациями, а не доказательством CCC. Флуктуации - вопрос спорный, но это кажется меньшей из проблем. Что важнее, модель Пенроуза нарушает второй закон термодинамики: в CCC энтропия «обнуляется» в начале каждого цикла, что противоречит классической термодинамике.
В свою очередь, Пенроуз объясняет это тем, что в конце цикла гравитационная энтропия (связанная с чёрными дырами) исчезает. 

Также, в этой модели нет ответа, как именно безмассовые частицы «перезапускают» Вселенную. То есть имеется отсутствие явного механизма перехода между циклами.

В самых последних исследованиях 2023 года на основе анализа данных JWST Пенроуз ищет новые подтверждения в инфракрасном фоне. Также, появляются теории, допускающие схожие сценарии, например, петлевая квантовая гравитация.

Тем не менее, Циклическая космологическая модель (CCC) все еще не имеет экспериментальных подтверждений и остаётся гипотезой. Но если Пенроуз окажется прав, то мы живём в бесконечно повторяющейся Вселенной!