Циклічний всесвіт: вічні космічні цикли
Теорія циклічного всесвіту пропонує, що наша космічна історія не починалася одним разом із «Великим вибухом», а складається з нескінченної низки епох розширення й стиснення. Однією з найперших ідей у цьому напрямку була осциляційна модель, запропонована Річардом Толменом у 1930-х роках. У ній Всесвіт розширюється внаслідок первісного імпульсу, а потім, під дією власної гравітації, поступово зупиняється і починає стискатись, доки не настає «Великий крах» (Big Crunch). Після цього цикл повторюється заново. Однак Толмен зіткнувся з проблемою накопичення ентропії в кожному новому циклі: з часом Всесвіт ставав би дедалі «бруднішим» і не міг би точно повторювати попередні стадії.
Сучасні циклічні моделі вирішують цю проблему за допомогою механізмів, які або «скидають» ентропію, або перерозподіляють її. Однією з найвідоміших є Конформна Циклова Космологія (Conformal Cyclic Cosmology, CCC) Роджера Пенроуза. За CCC, кожна ера (аон) закінчується у стані експоненційного розширення: максимально холодного, розрідженого й з низькою ентропією, який потім «конформно» масштабують у початковий вільний від структури стан наступної ери. Іншими словами, нескінченне майбутнє однієї епохи через трансформацію стає «гарячим» початком наступної. Пенроуз припускає, що сліди попереднього аону можна знайти в реліктовому випромінюванні (космічному мікрохвильовому фоні) нашого Всесвіту. Вчені шукають концентричні кільця аномалій температури, що могли б залишитися від гігантських зіткнень надмасивних чорних дір у попередній фазі.
Ще один сучасний підхід походить із теорії струн і брани – екупіротна модель (ekpyrotic model). У цій концепції наш чотиривимірний Всесвіт розташований на «брані» (оболонці) у багатовимірному «барі». Періодичні зіткнення нашої брани з паралельною браною викликають цикли «Великого вибуху». Між зіткненнями відбувається поступове «холодне» стискання, яке вирівнює і згладжує Всесвіт, усуваючи проблему горизонтальності та плоскості без необхідності окремої фази інфляції. Екупіротні сценарії передбачають особливі сигнали в ґрунтових гравітаційних хвилях та поляризації мікрохвильового фону, що дає можливість перевірити їх експериментально.
Інша ідея – це циклічна інфляція. Тут кожен цикл включає коротку фазу інфляції, яка формує великомасштабну структуру, після чого настає нагрів (рехетинг) і поступове стискання. Механізми розбавлення ентропії, такі як фантимова енергія або розпад певного скалярного поля, допомагають уникнути накопичення непотрібного тепла й залишків попередніх циклів, забезпечуючи нескінченність циклів без «постійного забруднення» ентропією.
Критики циклічних теорій відзначають кілька викликів. Насамперед, складно отримати ненульову квантово-гравітаційну «безсингулярну» фазу переходу між стисканням і новим розширенням. Багато моделей покладаються на ще не остаточно підтверджені властивості квантової гравітації чи додаткові виміри. Крім того, питання справжнього «скидання» ентропії лишається відкритим: чи може Всесвіт дійсно «очиститись» від всіх дрібних нерівностей і залишених частинок, щоб почати нову структуру з тієї ж «чистоти»?
Незважаючи на складнощі, циклічні моделі надають альтернативу класичній інфляційній картині, у якій уся історія Всесвіту починається з єдиної сингулярності. Якщо експериментальні спостереження, наприклад, виділення концентричних кілець температурних аномалій у космічному мікрохвильовому фоні або унікальні риси у спектрі гравітаційних хвиль, відповідатимуть передбаченням CCC чи екупіротних моделей, це могло б радикально змінити наше розуміння походження космосу.
Загалом, ідея нескінченного циклу «народження» й «загибелі» Всесвіту ставить фундаментальні питання про природу часу, ентропії та те, чи взагалі існує «перший» момент існування. Він нагадує нам, що наша звична картина «початку» може бути лише однією з безлічі можливих ітерацій у вічній драмі космічних епох.