В начале 2000-х годов два физика из Принстонского университета предложили космологическую модель, согласно которой Большой взрыв не был уникальным событием, но пространство и время существовали задолго до создания Вселенной.
В циклической модели Вселенная проходит бесконечный самоподдерживающийся цикл. В 1930-х годах Альберт Эйнштейн выдвинул идею о том, что Вселенная может претерпевать бесконечный цикл Больших взрывов и Больших сжатий. Расширение нашей Вселенной могло быть результатом коллапса предыдущей Вселенной. В рамках этой модели можно сказать, что Вселенная возрождается после смерти своей предшественницы. Если это правда, то Большой взрыв не уникален, это всего лишь один маленький взрыв среди бесчисленного множества других. Теория цикла не обязательно заменяет теорию Большого взрыва, она скорее пытается ответить на другие вопросы, например, что произошло до Большого взрыва и почему Большой взрыв вызвал период быстрого расширения?
Пол Стейнхардт и Нил Турок предложили новую циклическую модель Вселенной в 2001 году. Стейнхардт описал эту модель в своей статье как «Циклическую модель Вселенной». В теории струн браны или «браны» — это объекты, существующие в определенных измерениях. По мнению Стейнхардта и Турока, этим бранам соответствуют три пространственных измерения, которые мы видим. Две трехмерные браны могут существовать рядом, разделенные дополнительным скрытым измерением. Эти браны – думайте о них как о металлических пластинах – могут перемещаться по этому дополнительному измерению и сталкиваться друг с другом, создавая Большой взрыв и, следовательно, Вселенную (подобную нашей). При их столкновении события разворачиваются по стандартной модели Большого взрыва: рождаются горячая материя и излучение, происходит быстрое расширение, а затем все остывает и образуются такие структуры, как галактики, звезды и планеты. Однако Стейнхардт и Турок полагают, что между этими бранами всегда существует какое-то взаимодействие, которое они называют межбранным: оно заставляет их притягиваться друг к другу, заставляя их снова сталкиваться и создавать следующий большой взрыв.
Тем не менее, модель Стейнхардта и Турока бросает вызов некоторым предположениям модели Большого взрыва. Например, по их мнению, Большой взрыв был не началом пространства и времени, а переходом на раннюю стадию эволюции. Если говорить о модели Большого взрыва, то там говорится, что это событие ознаменовало непосредственное начало самого пространства и времени. Более того, в этом цикле сталкивающихся бран крупномасштабная структура Вселенной должна определяться фазой сжатия: то есть она происходит до того, как они столкнутся и произойдет следующий Большой взрыв. Согласно теории Большого взрыва, крупномасштабная структура Вселенной определялась периодом быстрого расширения (расширения), произошедшим вскоре после взрыва. Более того, модель Большого взрыва не предсказывает, как долго будет существовать Вселенная, тогда как в модели Стейнхардта каждый цикл длится около триллиона лет.
Преимущество циклической модели Вселенной в том, что, в отличие от модели Большого взрыва, она может объяснить так называемую космологическую постоянную. Значение этой константы напрямую связано с ускоряющимся расширением Вселенной: оно объясняет, почему пространство расширяется так быстро. Согласно наблюдениям, значение космологической постоянной очень мало. До недавнего времени считалось, что она на 120 порядков меньше, чем предсказывает стандартная теория Большого взрыва. Это несоответствие между наблюдениями и теорией уже давно стало одной из самых больших проблем современной космологии. Однако не так давно были получены новые данные о расширении Вселенной, согласно которым Вселенная расширяется быстрее, чем считалось. Все еще ждем новых наблюдений и подтверждения (или опровержения) полученных данных.
Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии 1979 года, попытался объяснить несоответствие между наблюдениями и предсказаниями модели, используя так называемый антропный принцип. Он считал, что значение космологической постоянной случайно и различно в разных частях Вселенной. Нас не должно удивлять, что мы живем в столь редком регионе, что наблюдаем малые значения этой константы, ведь только при этом значении могут развиваться звезды, планеты и жизнь. Однако некоторых физиков такое объяснение не устраивает из-за отсутствия доказательств того, что эта величина различна в других регионах наблюдаемой Вселенной.
Американский физик Ларри Эбботт разработал аналогичную модель в 1980-х годах. Однако в его модели время, необходимое для того, чтобы космологическая постоянная упала до низкого значения, настолько велико, что за это время вся материя во Вселенной рассеивается по пространству, оставляя его по существу пустым. Согласно циклической модели Вселенной Стейнхардта и Турока, причина, по которой космологическая постоянная настолько мала, заключается в том, что изначально она очень велика, но со временем, с каждым новым циклом, она уменьшается. Другими словами, при каждом Большом взрыве количество материи и излучения во Вселенной «обнуляется», а космологическая постоянная — нет. За многие циклы ее значение уменьшалось, и сегодня мы наблюдаем именно это значение (5,98 х 10-10 Дж/м3).
В интервью Нил Турок рассказал о своей и Стейнхардте модели циклической вселенной следующим образом:
«Мы предлагаем механизм, с помощью которого теория суперструн и М-теория (наша лучшая объединенная теория квантовой гравитации) позволили Вселенной подвергнуться Большому взрыву. Но необходима дальнейшая теоретическая работа, чтобы понять, полностью ли согласуются наши гипотезы».
Ученые надеются, что по мере развития технологий появится возможность проверить эту теорию наряду с другими теориями. Следовательно, согласно Стандартной космологической модели (ΛCDM), вскоре после Большого взрыва произошел период, известный как инфляция, и Вселенная наполнилась гравитационными волнами. В 2015 году был обнаружен сигнал гравитационной волны, форма которого соответствует предсказаниям общей теории относительности о слиянии двух черных дыр (GW150914). В 2017 году физики Кип Торн, Райнер Вайс и Барри Бэриш получили Нобелевскую премию за это открытие. Позже были также зарегистрированы гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд (GW170817). Однако гравитационные волны, возникающие в результате расширения Вселенной, до сих пор не обнаружены. Более того, Стейнхардт и Турок отмечают, что, если их модель верна, такие гравитационные волны будут слишком малы, чтобы их можно было обнаружить».