Теория большого взрыва предполагает наличие сингулярности – состояния, в котором вселенная обладала свойствами пространства-времени, для которого ОТО не может предсказать его свойства. В этом смысле необходимо было создание теории квантовой гравитации, которая бы описывала микроструктуру пространства-времени (с размерностью пространства около 10^-35) м в состоянии сингулярности. Детали этой гранулированной квантовой структуры должны представлять собой своего рода пространственно-временные атомы по тому подобию, как мы представляем себе современное вещество во вселенной, состоящее из атомов.

Теория петли квантовой гравитации, которая была развита в 1990 годах минувшего столетия, весьма удобна для понимания квантового гранулированного пространства, состоящего из подобия пространственно-временных атомов. Квантовая теория электромагнетизма описывает вакуум, лишенный частиц, таких как фотоны, и где каждое приращение энергии, добавленное к этому вакууму, производит новую частицу. В квантовой теории гравитации вакуум – полное отсутствие пространства-времени. Петли гравитации описывают, как каждое приращение энергии, добавленное к этому вакууму, производит новый атом пространства-времени. Пространственно-временные атомы формируют плотные, вечно движущиеся петли. На больших расстояниях их динамизм дает начало развитию вселенной из классической теории общей относительности. При обычных условиях мы никогда не замечаем существование этих пространственно-временных атомов. Расстояние между петлями настолько мало, что петли похожи на простое пространство. Но когда пространство-время насыщено энергией, как это было при Большом взрыве, микроструктура пространства-времени становится движущей силой, а поведение петлей гравитации отличается от предсказаний ОТО.

Поскольку гравитация выражается силой притяжения, то если масса тела достаточно велика, гравитация пересиливает все другие силы и сжимает его в точку, такую как сингулярность, например, черной дыры. Петли гравитации предполагают, что строение атома пространства-времени при очень высокой плотности энергии изменяет природу гравитации, делая её отталкивающей силой, поскольку ничтожно малый свободный объем гранулированного пространства времени, лежащий около Планковского объема, несжимаем. Когда плотность энергии становится слишком большой, появляется отталкивающая сила, заставляя космос расшириться. Но когда плотность уменьшилась, сила тяжести, становилась силой притяжения, которую мы наблюдаем. Инерция отталкивания сохранила расширение, продолжающееся до сих пор. Из-за гравитационно-квантового изменения баланса сил (притяжения и отталкивания), никогда не возникает точка, а, стало быть, состояние бесконечной плотности (сингулярности). Непрерывный космос по ОТО, напротив, сохраняет безграничное количество энергии.

Таким образом, отталкивающая сила гравитации в начальное время существования вселенной заставила космос, расширяться с ускорением, что и наблюдается в действительности. Питающая расширение сила медленно уменьшается. Когда ускоренное расширение прекратится, избыток энергии превратится в обычную материю, которая начнёт заполнять вселенную в процессе, названном повторным нагревом.

Рис. 6.5 Эволюция вселенной по модели Большого отскока ¹

В современных же моделях расширение добавлено специально (инфляционная стадия Стандартной модели), чтобы принятая модель соответствовала наблюдениям. Однако в квантовой космологии петли считается, что это естественное следствие атомной природы пространства-времени. Ускорение автоматически начинается, когда вселенная является маленькой и ее зернистая (гранулированная) структура заполнена.

Без сингулярности, чтобы разграничить начало времени, история вселенной может простираться значительно дальше назад, но существующие модели редко полностью разрешают проблему сингулярности. Большинство из них, включая и теории струн, требует предположений относительно того, что, возможно, случилось в этой, трудно поддающейся описанию существующей ОТО, точке сингулярности. Петли гравитации, напротив, в состоянии проследить то, что происходило в сингулярности. И хотя сценарии, основанные на петлях гравитации, сильно упрощены, они основаны на общих принципах и избегают ввода новых специальных предположений.

Используя уравнения в конечных разностях, учёные могут попытаться восстановить глубокое прошлое. Один из возможный сценариев прошлого состояния вселенной это возникновение начального сверхплотного состояния, когда ранее существующая вселенная разрушилась под действием гравитационной силы притяжения. Плотность становилась настолько высокой, что сила тяжести стала отталкивающей силой, и вселенная начала снова расширяться. Космологи именуют этот процесс отскоком.

Первая модель отскока, в котором вселенная симметрична и содержит только один тип материи, была создана А. Аштекаром, Т. Павловски и П. Сингхом из пенсильванского университета. Хотя эта модель и была упрощенной, понимание её первоначально потребовало ряда математических вычислений, которые были закончены только к 2006 году. Создатели теории рассматривали распространение волн, представляющих вселенную до и после Большого взрыва. Модель ясно показала, что волны не будут вслепую следовать за классической траекторией в пропасть сингулярности, они остановились и вернулись бы, как только начиналось отталкивание квантовой гравитации.

Результатом моделирования известная неопределённость квантовой механики была справедливо подавлена во время отскока. Волна вместо распространения во время отскока локализовалась. Вселенная перед сильным отскоком была подобна наблюдаемой сегодня вселенной, заполненная звездами и галактиками и управляемая известными нам законами. Таким образом, экстраполяция в прошлое должна была бы позволить нам понять историю вселенной до момента нового расширения. Но эта надежда не оправдалась. Сильный удар не был кратким толчком с отталкивающей силой, как в модели, например, столкновения бильярдных шаров. Вместо этого оно, возможно, представило появление нашей вселенной из почти непостижимого квантового состояния – мира чрезвычайно колеблющегося беспорядка. Даже если существующая ранее вселенная была однажды подобна нашей, она прошла через длительный период, во время которого плотность материи и энергии сильно и беспорядочно колебалась, заметая все следы прошлых состояний. Поскольку колебания до и после Большого взрыва не были сильно связаны друг с другом. Вселенная перед большим взрывом, возможно, колебалась совсем по-другому, чем после него, и детали о тех колебаниях не пережили отскок. Квантовые эффекты во время сильного удара «стирали» почти все следы этой предыстории. И, тем не менее, как представляют себе авторы теории отскока, картина большого взрыва вскрывает больше тонкостей начального состояния вселенной, чем Стандартная теория о существовании сингулярности. В точке сингулярности, где ОТО бессильна, петли квантовой гравитации работают. Большой взрыв по модели отскока не рассматривается как физическое Начало или математическая сингулярность, но он накладывает практическое ограничение на наше современное знание. То, что выживает, не сможет обеспечить полное представление того, что было ранее, поскольку в любой концепции беспорядок, в рамках Второго начала термодинамики, увеличиваться. Это веский аргумент против вечной вселенной. Если порядок уменьшается на бесконечном промежутке времени, то вселенная должна к настоящему времени быть столь деструктуризирована, что структуры, которые мы видим как в галактиках так и на Земле, не могли существовать. Согласно традиционной термодинамики, нет такой вещи как Ничто, с которого начинаются другие события, не связанные с предыдущими. Любая система всегда сохраняет память о своем прошлом в конфигурации ее атомов. Но, позволяя измениться числу пространственно-временных атомов, образуются петли. В этом смысле квантовая гравитация даёт вселенной больше свободы для стирания прошлой в истории, чем предложила бы классическая физика.

Это всё вовсе не говорит о том, что у космологов нет никакой надежды на исследование квантово-гравитационного периода. Гравитационные волны и нейтрино – особенно многообещающие инструменты, так как они слабо взаимодействуют с материей и поэтому проникли сквозь исконную плазму с минимальными потерями. Они, как своеобразные метки произошедших с ними событий в прошлом, могли бы дать информацию о времени близко стоящему к Большому взрыву, или даже до него. В этом смысле один из способов поиска гравитационных волн, которые следуют из ОТО, заключается в изучение их отпечатка на среде микроволнового фонового излучения. Если бы квантово-гравитационная отталкивающая гравитация стимулировала космическое расширение, то эти наблюдения могли бы найти некоторый намек на это. Теоретики должны также определить, мог ли этот новый источник инфляции воспроизвести другие космологические измерения, особенно раннее распределение плотности в материи, замеченное в микроволновом фоновом излучении. Например, квантовые колебания пространства-времени могли затронуть распространение света на большие расстояния. Согласно теории петлей гравитации, световая волна не может быть непрерывной; она должна соответствовать сетке космоса. Чем меньше длина волны – тем больше решетка искажает её. В некотором смысле, пространственно-временные атомы ударяют волну. Как следствие, свет различных длин волны идёт с различной скоростью. Хотя эти различия являются крошечными, за время долгого путешествия они могут накопиться. Отдаленные источники, такие как взрывы гамма-лучей предлагают большую вероятность наблюдения, что этот эффект.

Ссылки