Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Краткое примечание по поводу терминологии. Общепринятый научный термин «космология» относится к изучению Вселенной в целом и ее истории, включая ее компоненты, эволюцию и управляющие ею фундаментальные физические законы. В астрофизике космологом называют того, кто изучает по-настоящему удаленные от нас объекты, поскольку (1) это предполагает исследование довольно обширной части Вселенной и (2) в астрономии удаленные объекты также находятся в далеком прошлом, поскольку их свету порой требуются миллиарды лет, чтобы достичь Земли. Некоторые астрофизики изучают именно эволюцию или раннюю историю Вселенной, другие специализируются на исследовании удаленных объектов (галактик, их скоплений и т. д.) и их свойств. Как область физики космологию можно отнести, скорее, к теоретическому направлению. Например, некоторые космологи, работающие на физических факультетах (в отличие от сотрудников астрономических факультетов), изучают альтернативные формулировки моделей физики элементарных частиц, которые можно было бы применить к первой миллиардной миллиардной доли секунды существования Вселенной. Другие изучают модификации теории гравитации Эйнштейна, относящиеся к таким гипотетическим объектам, как черные дыры, которые могут существовать лишь в более высоких измерениях пространства. Третьи моделируют целые гипотетические Вселенные, полностью отличные от нашей, – Вселенные с совершенно иным устройством космоса, числом измерений и историей, чтобы понять математическую структуру теорий, которые однажды могут оказаться нам полезными[4 - Теоретики струн создают множество таких теорий. (Теория струн – это общий термин для теорий, которые пытаются по-новому объединить физику гравитации и элементарных частиц, однако большая часть работы, направленной на ее развитие, в настоящее время основывается, скорее, на математических аналогах, нежели на том, что имеет отношение к «реальному» миру.) Иногда в ходе лекции по теории струн мне приходится сдерживать себя, чтобы не поднять руку и не сказать о том, что ни одно из представленных вычислений не имеет отношения к нашей Вселенной, на тот случай, если кто-то из присутствующих ощущал такое же замешательство, какое испытала я, начав посещать лекции, посвященные данной теме.].

В результате под термином «космология» разные люди подразумевают совершенно разные вещи. Космолог, изучающий эволюцию галактик, может совершенно растеряться в разговоре с космологом, выясняющим, как квантовая теория поля объясняет испарение черных дыр, и наоборот.

Лично мне космология нравится в любом виде. Впервые я поняла, что это стоящая наука, лет в десять благодаря книгам и лекциям Стивена Хокинга. Он говорил о черных дырах и искривлении пространства-времени, о Большом взрыве и многих других вещах, заставлявших мои мозги буквально шевелиться. Я никак не могла насытиться знаниями. Когда я узнала, что Хокинг называет себя космологом, я поняла, чем хочу заниматься. На протяжении многих лет я проводила исследования в нескольких областях физики и астрономии, изучая черные дыры, галактики, межгалактический газ, нюансы Большого взрыва, темную материю и возможность внезапного исчезновения Вселенной[5 - Это одна из самых забавных вещей, над которыми я когда-либо работала, результатом чего и стала эта книга. Не могу точно сказать, почему мне так нравится данная тема. Не исключено, что это плохой знак.]. Я даже какое-то время баловалась экспериментальной физикой элементарных частиц, проводя юношеские годы в лаборатории ядерной физики, играясь с лазерами (что бы ни было написано в отчетах, тот пожар устроила не я) и плавая на надувной лодке по заполненному водой баку подземного детектора нейтрино (тот взрыв тоже произошел не по моей вине).

В настоящее время я занимаюсь в основном теорией, что, вероятно, лучше для всех. Это означает, что я не провожу наблюдений и экспериментов и не анализирую данные, хотя я часто делаю прогнозы относительно результатов будущих наблюдений или экспериментов. В основном я работаю в области, называемой феноменологией: она находится на границе между разработкой новых теорий и той сферой, в которой эти теории подвергаются фактической проверке. То есть я ищу новые пути объединения гипотез, выдвигаемых теоретиками относительно структуры Вселенной, с тем, что надеются обнаружить в своих данных астрономы-наблюдатели и физики-экспериментаторы. А это значит, что я должна знать кое-что обо всем[6 - А поскольку речь идет о Вселенной, выражение «обо всем» следует понимать буквально.], и это чертовски весело.

Предупреждение о спойлере

Когда я писала книгу, я смогла углубиться в вопрос о том, куда мы движемся, что все это значит и что мы можем узнать о нашей Вселенной, задавая подобные вопросы. Общепринятых ответов на них пока нет, вопрос о судьбе всего сущего остается открытым, и в этой области активно проводятся исследования, выводы которых могут резко измениться из-за небольших корректировок в интерпретации полученных данных. В этой книге мы рассмотрим пять сценариев, чаще всего обсуждаемых профессиональными космологами, и изучим лучшие из современных аргументов за и против каждого из них.

Каждый сценарий представляет собой совершенно особый вид апокалипсиса, обусловленного различными физическими процессами, однако все они сходятся в одном: конец неизбежен. Изучая современную космологическую литературу, я не обнаружила ни одного серьезного предположения о том, что Вселенная может существовать вечно без каких-либо изменений. Как минимум предполагается некий переход, который в любом случае уничтожит все, и в результате по крайней мере наблюдаемая часть космоса станет непригодной для существования какой бы то ни было организованной структуры. Учитывая вышесказанное, я буду называть это концом (приношу свои извинения читающим эти строки спонтанным квантовым флуктуациям, на время обретшим сознание)[7 - Потерпите до главы 4, в которой мы подробно поговорим о «больцмановском мозге».]. Некоторые из этих сценариев намекают на возможность обновления космоса и даже на повторение тех или иных событий, однако вопрос о сохранении какой-либо памяти о предыдущих итерациях по-прежнему остается предметом жарких споров, равно как и вопрос о принципиальной возможности избежать космического апокалипсиса. Наиболее вероятной представляется точка зрения, согласно которой конец нашего небольшого островка жизни, называемого наблюдаемой Вселенной, будет абсолютным. И в этой книге, помимо всего прочего, я расскажу вам, как именно это может произойти.

Чтобы восполнить возможные пробелы в знаниях, мы начнем с краткого обзора истории Вселенной с момента ее зарождения вплоть до сегодня. А затем мы поговорим о ее гибели. Каждая из пяти глав будет посвящена различным сценариям конца Вселенной, тому, как это может произойти, как это будет выглядеть и как изменение наших знаний о физическом устройстве реальности ведет нас от одной гипотезы к другой. Мы начнем с обсуждения так называемого Большого сжатия, впечатляющего коллапса Вселенной, который может произойти в том случае, если процесс ее расширения повернется вспять. В последующих двух главах будут описаны апокалиптические сценарии, обусловленные темной энергией. Один из них предполагает бесконечное расширение Вселенной, в ходе которого она будет становиться все более пустой и темной. В другом Вселенная буквально разрывается на части. Затем мы поговорим о распаде вакуума – спонтанном возникновении квантового пузыря смерти[8 - Технически он называется «пузырем истинного вакуума», что, надо признать, звучит не менее зловеще.], пожирающего космос. Наконец мы зайдем на спекулятивную территорию циклической космологической модели: она допускает существование дополнительных пространственных измерений и уничтожение нашего космоса в результате столкновения с параллельной Вселенной… которое происходит снова и снова. В заключительной главе мы подведем итоги и познакомимся с последними новостями от нескольких экспертов, узнаем, какой из сценариев в настоящее время кажется наиболее правдоподобным и какие наблюдения, и эксперименты могли бы способствовать окончательному разрешению данного вопроса.

Какой смысл все это имеет для нас как для людей, живущих в необъятном и равнодушном пространстве, – уже совсем другой вопрос. В эпилоге будет представлен ряд точек зрения на возможность сохранения каких-либо следов существования сознания после нашего исчезновения[9 - Еще один спойлер: шансы невелики.].

Мы пока не знаем, что станет причиной уничтожения Вселенной, – огонь, лед или что-то экстраординарное. Однако бесспорным остается тот факт, что это огромное, красивое и потрясающее место, которое стоит исследовать. Пока это еще возможно.

Глава 2. От большого взрыва до наших дней

Начала подразумевают и требуют завершений.

    Энн Леки, «Слуги правосудия»

Мне нравятся истории о путешествиях во времени. Несмотря на то что физика машины времени вызывает споры и порождает парадоксы, есть нечто очень привлекательное в идее о том, что мы можем как-то узнать и вмешаться в прошлое и будущее, чтобы сойти с поезда, состоящего из череды моментов «сейчас», неумолимо приближающего нас к какому-то неизвестному исходу. Линейное время кажется слишком ограничивающим и даже расточительным. Почему мы должны навсегда потерять все эти возможности лишь потому, что стрелка часов отсчитала несколько секунд? Может быть, мы и привыкли к хронологическому диктату, но это не значит, что он нас устраивает.

К счастью, космология способна помочь. Разумеется, не в практическом смысле, – мы по-прежнему говорим об относительно эзотерической отрасли физики, которая никоим образом не позволит вам вернуть зонт, если вы забыли его в поезде накануне. Скорее, речь идет о том, что после знакомства с ней ваша жизнь будет прежней, но все остальное изменится для вас навсегда.

Для космолога прошлое не является каким-то недостижимым, навсегда утраченным царством. Это реальное место, наблюдаемая область космоса, в которой мы проводим большую часть своего рабочего дня. Сидя за столом, мы можем наблюдать за развитием астрономических событий, которые имели место миллионы и даже миллиарды лет назад. И это не просто особенность, присущая лишь космологии, но свойство структуры Вселенной, в которой мы живем.

Это обусловлено тем фактом, что свет распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, хоть и очень высокой – примерно 300 миллионов метров в секунду. В повседневной жизни это означает, что свет от фонарика преодолевает около одной трети метра за наносекунду, и столько же времени требуется отраженному свету, чтобы достичь вас. На самом деле, когда вы смотрите на какой-то объект, изображение, которое вы видите, слегка устаревает к тому моменту, когда свет, отраженный от объекта, достигает ваших глаз. Человек, сидящий в другом углу кафе, с вашей точки зрения, находится на несколько наносекунд в прошлом, что может частично объяснить его отсутствующее выражение лица и устаревший костюм. Все, что вы видите, находится в прошлом относительно вас. Когда вы смотрите на Луну, вы заглядываете в прошлое чуть больше, чем на секунду. Солнце вы видите с задержкой более чем в восемь минут. А созерцая звезды в ночном небе, вы заглядываете в глубокое прошлое, от которого вас отделяет от нескольких лет до тысячелетий.

Благодаря этой задержке, обусловленной конечной скоростью распространения света, астрономы могут смотреть в небо и наблюдать за эволюцией Вселенной от самого ее начала вплоть до сегодня. В астрономии мы используем такую единицу измерения, как «световой год», не только потому, что она представляет собой удобный способ обозначения огромного расстояния (около 9,5 триллиона километров, или 5,9 триллиона миль), но и потому, что она говорит нам, сколько времени потребовалось свету от объекта, чтобы достичь нас. Глядя на звезду, находящуюся на расстоянии 10 световых лет от нас, мы смотрим на 10 лет в прошлое. А рассматривая галактику, удаленную от нас на 10 миллиардов световых лет, мы заглядываем в прошлое на 10 миллиардов лет. Поскольку возраст нашей Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет, эта галактика может рассказать нам о состоянии Вселенной на ранних этапах ее развития. В этом смысле взгляд в космос равносилен взгляду в прошлое.

Здесь есть важный нюанс, о котором я не могу не упомянуть. Технически мы не можем видеть собственное прошлое. Задержка, обусловленная конечной скоростью света, означает, что чем сильнее от нас удален объект, тем в более глубоком прошлом он находится, и это работает в обе стороны: мы не только не способны увидеть собственное прошлое, но и не можем узнать, что происходит с этими далекими галактиками в настоящем. Чем сильнее от нас удален объект, тем дальше он находится на космической временной шкале.

Так как же мы можем узнать что-то о собственном прошлом, глядя на прошлое далекой галактики? Все сводится к основному положению космологии, которое называется «космологическим принципом». В соответствии с этим положением для всех наблюдателей, где бы они ни находились, Вселенная выглядит примерно одинаково. Очевидно, в человеческих масштабах это не так, – поверхность Земли существенно отличается от глубокого космоса или центра Солнца, однако когда речь идет о космических масштабах, в которых целые галактики представляются отдельными незначительными пятнышками, Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях и состоит из одних и тех же компонентов[10 - Научная фантастика предпочитает игнорировать этот факт. В одном из ранних эпизодов сериала «Звездный путь: следующее поколение» герои случайно преодолевают миллиард световых лет за несколько секунд и оказываются в некой бездне, наполненной мерцающей голубой энергией, которую, существуй она в реальности, мы могли бы увидеть в телескоп.].

Эта идея тесно связана с принципом Коперника, еретическим мнением, высказанным в XVI веке. Николай Коперник считал, что мы не занимаем какого-то «особенного положения» в космосе, а находимся в совершенно обычном месте, которое могло быть выбрано абсолютно произвольно. Поэтому, когда мы смотрим на галактику, удаленную от нас на миллиард световых лет, и видим ее такой, какой она была миллиард лет назад во Вселенной на миллиард лет моложе той, в которой мы находимся, мы можем с уверенность полагать, что в то время здесь имелись примерно такие же условия. На самом деле это предположение можно проверить с помощью наблюдений. Исследование распределения галактик по всему космическому пространству показало, что единообразие, подразумеваемое космологическим принципом, наблюдается во всех направлениях.

Таким образом, если мы хотим узнать об эволюции самой Вселенной и условиях, в которых развивалась наша галактика Млечный Путь, все, что нам нужно сделать, это посмотреть на очень удаленный от нас объект.

Это также означает, что в космологии на самом деле нет четко определенного понятия «сейчас». Иными словами, переживаемый вами «настоящий момент» сильно зависит от того, где вы находитесь и что делаете[11 - За это мы должны благодарить относительность. Согласно специальной теории относительности, время для нас замедляется, когда мы движемся быстро. Общая теория относительности говорит о том, что оно замедляется вблизи массивного объекта.]. Как можно говорить, что «взрыв сверхновой происходит сейчас», когда мы наблюдаем, как она взрывается, в настоящий момент, но свет от нее шел к нам миллионы лет? То, что мы видим, по сути, принадлежит прошлому, однако «настоящее» этой взорвавшейся звезды нами ненаблюдаемо, и мы не получим о нем никаких сведений на протяжении миллионов лет, что делает ее «настоящее» нашим будущим.

Когда мы воспринимаем Вселенную как существующую в пространстве-времени – всеобъемлющей универсальной сетке, в которой пространство имеет три измерения, а время является четвертым, мы можем думать о прошлом и будущем как об отдаленных точках единого полотна, тянущегося по всему космосу от его зарождения до самого конца. Для наблюдателя, находящегося в другой точке этого полотна, событие, принадлежащее нашему будущему, может быть далеким прошлым. И свет (или любая другая информация об этом событии), который мы не увидим на протяжении еще нескольких тысячелетий, прямо «сейчас» несется к нам сквозь пространство-время.

Так принадлежит ли это событие будущему, прошлому или, может быть, и тому, и другому? Все зависит от положения наблюдателя.

У человека, привыкшего мыслить в терминах трехмерного мира[12 - Когда Док Браун из фильма «Назад в будущее» сказал: «Ты забываешь про четвертое измерение!», он имел в виду именно таких людей.], от этого голова может пойти кругом, однако для астрономов конечная скорость света представляет собой фантастически полезный инструмент. Благодаря этому мы можем изучать историю космоса не по косвенным подсказкам и следам, а непосредственно наблюдая за тем, как он изменяется с течением времени. Мы можем увидеть Вселенную в возрасте всего трех миллиардов лет, когда в ней формировались звезды и вспыхивали галактики, а также как их блеск потускнел за прошедшие эоны. Мы можем заглянуть еще дальше в прошлое и увидеть, как материя втягивалась в сверхмассивные черные дыры спустя менее 500 миллионов лет после зарождения Вселенной, когда звездный свет еще только начинал заполнять межгалактическую тьму.

Совсем скоро благодаря новым космическим телескопам мы сможем рассмотреть некоторые из самых ранних галактик, которые сформировались, когда возраст Вселенной составлял всего несколько сотен миллионов лет. Но можно ли заглянуть еще дальше в прошлое, когда никаких галактик не было? У нас есть такие планы. Разрабатываемые в настоящее время радиотелескопы, возможно, помогут нам увидеть материал, из которого сформировались первые галактики, благодаря особому взаимодействию света и водорода. Глядя на водород, вещество, из которого однажды сформируются звезды и галактики, мы можем наблюдать за возникновением самых первых структур во Вселенной.

Но что если мы заглянем еще дальше в прошлое, в то время, когда не было ни звезд, ни галактик, ни водорода? Можем ли мы увидеть сам Большой взрыв?

Да, можем.

Наблюдение Большого взрыва

Как правило, под Большим взрывом понимается некий пожар, внезапно разгоревшийся из одной точки и заполнивший Вселенную светом и веществом. Однако все было совсем не так. Это был не взрыв во Вселенной, а расширение самой Вселенной. И произошел он не в одной, но в каждой точке пространства. Все существующие сегодня точки Вселенной – место на краю далекой галактики, область межгалактического пространства, комната, в которой вы родились, – в начале времен находились в тесном соседстве, а в первый момент Большого взрыва начали стремительно удаляться друг от друга.

Логика теории Большого взрыва довольно проста. Вселенная расширяется, – мы видим, что расстояние между галактиками увеличивается с течением времени, а это означает, что в прошлом галактики находились ближе друг к другу. Мы можем провести мысленный эксперимент, перемотав наблюдаемое сейчас расширение на миллиарды лет назад до того момента, когда расстояние между галактиками было равно нулю. Наблюдаемая Вселенная, охватывающая все, что мы видим сегодня, в момент своего зарождения должна была занимать несопоставимо меньший объем и представлять собой гораздо более плотный и горячий сгусток вещества. Однако наблюдаемая Вселенная ограничена той частью космоса, которую мы видим сейчас. Мы знаем, что космос простирается намного дальше. На самом деле, исходя из того, что нам известно, вполне вероятно, что Вселенная бесконечна. А это значит, что она была бесконечна и в самом начале. Просто намного плотнее.

Такое сложно себе представить. Бесконечности в этом смысле вызывают большие трудности. Что такое бесконечное пространство? Что означает его расширение? Как может бесконечное пространство становиться еще более бесконечным?

Боюсь, я не смогу ответить на эти вопросы.

Конечному мозгу чрезвычайно сложно осмыслить идею бесконечного пространства. Я лишь могу сказать, что в математике и физике существуют способы обращаться с бесконечностью, которые не нарушают законов логики. Как космолог я исхожу из того, что Вселенная может быть описана математически, и если эта математика работает и оказывается полезной при решении новых задач, я ее использую[13 - Несмотря на кажущуюся легкомысленность этого заявления, в нем заключена довольно важная идея. До сих пор мы, физики, в основном занимались описанием Вселенной с помощью математических конструкций, которые называются моделями, а также проведением экспериментов и наблюдений с целью проверки и уточнения этих моделей вплоть до нахождения той, которая лучше всего соответствует результатам наблюдений. Затем мы пытаемся сломать эту модель. Дело не в том, что мы верим, будто математика является чем-то фундаментальным для Вселенной, а в том, что у нас просто нет другого осмысленного подхода к решению подобных задач.].

Точнее, если математика работает, а несколько иное предположение (например, о том, что Вселенная не бесконечна, но настолько велика, что мы никогда не сможем отыскать ее пределы) никак не влияет на наш опыт или измерения, мы можем придерживаться более простого предположения. Итак, Вселенная бесконечна. С этим можно работать.

В любом случае, говоря о теории Большого взрыва, мы на самом деле имеем в виду, что, судя по текущей скорости расширения и его истории, когда-то давно Вселенная была намного горячее и плотнее, чем сегодня[14 - «ВСЯ наша Вселенная находилась в горячем плотном состоянии, а затем почти 14 миллиардов лет назад она начала расширяться…» Да, участники группы Barenaked Ladles все правильно поняли: начало заглавной песни для сериала «Теория Большого взрыва» на самом деле очень хорошее изложение самой теории.]. Иногда весь промежуток времени, на протяжении которого Вселенная была горячей и плотной (примерно 380 000 лет), называют «Горячим Большим взрывом»[15 - Разумеется, это было еще задолго до появления понятия «год», поскольку отсутствовала планета, вращающаяся вокруг звезды и определяющая эту единицу измерения. Однако для удобства мы можем использовать собственные единицы для отсчета времени, прошедшего с момента зарождения Вселенной.].

Мы даже можем количественно определить, насколько «горячим и плотным» было это состояние, и проследить историю Вселенной в обратном направлении от того прохладного и приятного космоса, каким мы наслаждаемся сейчас, до адской скороварки, условия в которой были настолько экстремальными, что они не вписываются в наше понимание законов физики.

Тем не менее речь идет не о простом теоретизировании. Одно дело вычислять более высокие значения давления и температуры, экстраполируя процесс расширения в прошлое, и совсем другое – наблюдать этот ад воочию.

Космическое микроволновое фоновое излучение

История о том, как мы перешли от размышлений о Большом взрыве к его наблюдению, представляет собой классический пример счастливого открытия в космологии. В 1965 году физик по имени Джим Пиблс из Принстонского университета произвел расчеты расширения космического пространства и сделал поразительный вывод о том, что излучение Большого взрыва должно пронизывать Вселенную и сегодня. Более того, оно должно быть обнаруживаемо. Он рассчитал ожидаемую частоту и интенсивность этого излучения и совместно с коллегами Робертом Дике и Дэвидом Уилкинсоном приступил к созданию прибора для его детектирования. Между тем, неподалеку от них в лаборатории Белла (Bell Labs) астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон готовились провести астрономические наблюдения с помощью детектора микроволнового излучения, который ранее использовался в коммерческих целях. (Микроволны представляют собой вид электромагнитного излучения, имеющего более высокую частоту, чем радиоволны, но более низкую, чем инфракрасное излучение или видимый свет). Во время калибровки инструмента для своих исследований Пензиас и Вильсон, совершенно не думавшие о коммерции и увлеченные изучением неба, обнаружили странный шум. Очевидно, раньше он не мешал использовать телескоп для приема радиосигналов, отраженных от стратостатов, поэтому пользователи его игнорировали. Однако в этот раз речь шла о науке, так что проблему нужно было устранить. Тем не менее, в каком бы направлении ученые ни поворачивали детектор, шум, причинявший множество неудобств, никуда не исчезал.

Помехи представляют собой весьма распространенную проблему на этапе калибровки, и для их возникновения существуют разнообразные причины, например незакрепленный кабель, находящийся поблизости радиопередатчик и множество других вибраций механического происхождения. (Недавний прорыв в радиоастрономии был связан с выяснением того факта, что излучение, детектируемое радиотелескопом в обсерватории Паркса, на самом деле представляло собой помехи от микроволновой печи, работавшей в столовой). Пензиас и Вильсон исследовали детектор вдоль и поперек и даже учли вероятность того, что источником шума могла оказаться небольшая стая голубей, гнездящихся в антенне[16 - К сожалению, это расследование не очень хорошо закончилось для голубей, которые, как позже выяснилось, были совершенно ни при чем.]. Однако, что бы они ни делали, им так и не удалось ни избавиться от этих помех, ни отыскать их источник. Поэтому им пришлось рассмотреть вероятность того, что сигнал идет из космоса, причем сразу со всех сторон. Но что это могло быть? Все, что исходит от планет или Солнца, должно детектироваться только в определенные моменты времени и в определенных направлениях, и даже излучение нашей галактики Млечный Путь не может быть совершенно однородным.

И тут в дело вступает команда из Принстона.

Расчеты Пиблса показали, что если на раннем этапе своего развития Вселенная была горячей повсюду, то в настоящее время мы должны везде обнаруживать следы этого излучения. Он рассуждал следующим образом. Поскольку, заглядывая дальше в космос, мы смотрим в более глубокое прошлое, а в далеком прошлом Вселенная представляла собой один большой огненный шар, то если заглянуть достаточно далеко, можно увидеть часть Вселенной, которая до сих пор охвачена огнем. Иными словами, если 13,8 миллиарда лет назад вся предположительно бесконечная Вселенная была пронизана радиацией, то должны существовать удаленные области, излучение от которых достигает нас только сейчас. В каком бы направлении мы ни смотрели, если мы заглянем достаточно далеко, то увидим эту далекую огненную Вселенную. При этом мы смотрим не на области пространства, которые отличаются от всех остальных, а скорее в то время, когда все пространство было в огне.