Помоги проекту - поделись книгой:
Проблема горизонта связана с тем, что космическое микроволновое фоновое излучение чрезвычайно однородно. Небольшие отклонения температуры, которые я описал выше, представляют собой вариации плотности материи и излучения в прошлом, когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет, менее чем 1 часть на 10000, если сравнивать с остальным однородным фоном плотности и температуры. Поэтому, хотя я сфокусировал внимание на малых отклонениях, возникал более глубокий, более актуальный вопрос: «Как Вселенная изначально стала такой однородной?»
В конце концов, если вместо прежнего снимка космического микроволнового фонового излучения (где колебания температуры в несколько частей на 100 000 отображаются разными цветами) я покажу температурную карту неба в микроволновом диапазоне в линейном масштабе (с вариациями в оттенках, отображающими вариации температуры, скажем, примерно ± 0, 03 градуса [Кельвина] соответствует средней фоновой температуре около 2,72 градусов выше абсолютного нуля или вариации 1 части на 100 относительно среднего), карта будет выглядеть следующим образом:
Сравните это изображение, которое не содержит ничего примечательного в плане структуры, с аналогичной проекцией поверхности Земли, с лишь слегка большей чувствительностью, с цветовыми вариациями, представляющими вариации относительно среднего радиуса примерно 1 части на 500:
Из этого следует, что Вселенная, в больших масштабах, невероятно однородна.
Как такое может быть? Что ж, можно было бы просто предположить, что в древние времена ранняя Вселенная была горячей, плотной, и пребывала в тепловом равновесии. Это означает, что все горячие точки охлаждались бы, а холодные пятна нагревались бы, пока первичный бульон не достиг бы одинаковой температуры на всем своем протяжении.
Однако, как я указывал ранее, когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет, свет мог пройти лишь несколько сотен тысяч световых лет, что составляет небольшой процент от того, что сейчас представляет собой вся наблюдаемая Вселенная (это прошлое расстояние представляло бы собой угол всего лишь около 1 градуса на карте всей микроволновой фоновой поверхности последнего рассеяния, наблюдаемого сегодня). Поскольку Эйнштейн говорит нам, что никакая информация не может распространяться быстрее света, согласно стандартной картине Большого Взрыва нет просто никакой возможности, чтобы часть того, что сейчас является наблюдаемой Вселенной, в то время влияла бы на существование и температуру других частей на угловых масштабах, больше чем примерно 1 градус. Таким образом, невозможно, чтобы газ на этих масштабах мог бы быть со временем термализован, чтобы привести повсеместно к такой равномерной температуре!
Физик-ядерщик Гут размышлял о процессах, которые могли происходить в ранней Вселенной, и которые могли быть важными для понимания этой проблемы, когда придумал для них абсолютно блестящее объяснение. Если, когда Вселенная охлаждалась, она переживала какую-то переходную фазу, например, когда вода замерзает в лед или железная болванка при охлаждении приобретает магнитные свойства, то могла быть решена не только проблема горизонта, но также проблема плоскостности (и, если на то пошло, проблема монополя).
Если вы любите пить по-настоящему холодное пиво, с вами, возможно, случалось такое: вы берете холодную бутылку пива из холодильника и, когда ее открываете и снижаете давление внутри, пиво вдруг замерзает полностью, и при этом может даже треснуть бутылка. Это происходит потому, что при высоком давлении предпочтительным низкоэнергетическим состоянием пива является жидкая форма, а как только давление выпускается, предпочтительным низкоэнергетическим состоянием пива становится твердое состояние. Во время фазового перехода может высвобождаться энергия, потому что низкоэнергетическое состояние в одной фазе может иметь более низкую энергию, чем низкоэнергетическое состоянии в другой фазе. Когда такая энергия выделяется, ее называют «скрытой теплотой».
Гут понял, что, когда сама Вселенная охлаждалась от расширения Большого взрыва, конфигурация материи и излучения в расширяющейся Вселенной, возможно, на некоторое время «застряла» в некотором мета-стабильном состоянии, до тех пор, пока, когда Вселенная, наконец, не остыла еще больше, эта конфигурация вдруг не подверглась фазовому переходу в энергетически предпочтительное основное состояние материи и излучения. Энергия, запасенная в конфигурации «ложного вакуума» Вселенной до завершения фазового перехода — «скрытая теплота» Вселенной, если хотите — могла бы существенно повлиять на расширение Вселенной в период до перехода.
Энергия ложного вакуума вела бы себя так же, как энергия, представленная космологической постоянной, потому что она действовала бы как энергия, пронизывающая пустое пространство. Она вызывала бы расширение Вселенной во времени, происходящее все быстрее и быстрее. В конце концов, то, что впоследствии стало нашей наблюдаемой Вселенной, начало бы расти быстрее скорости света. Это допускается общей теорией относительности, хотя это, похоже, нарушает специальную теорию относительности Эйнштейна, которая гласит, что ничто не может двигаться быстрее, чем скорость света. Но надо быть похожим на юриста и разобрать это чуть более тщательно. Специальная теория относительности говорит, что ничто не может двигаться в
Оказывается, во время этого инфляционного периода Вселенная могла расшириться более чем в 1028 раз. Хотя это невероятная цифра, это могло произойти за доли секунды в очень ранней Вселенной. В этом случае всё в пределах нашей наблюдаемой Вселенной, перед тем как произошла инфляция, когда-то помещалось в области гораздо меньшей, чем мы установили бы, если бы инфляции не было, и самое главное, настолько маленькой, что вся эта область имела достаточно времени для термализации и установления одинаковой температуры.
Инфляция сделала возможным еще одно довольно общее предсказание. Когда шарик надувают и он становится все больше и больше, искривление на его поверхности становится все меньше и меньше. Что-то подобное происходит и с Вселенной, которая увеличивается в размерах по экспоненте, как это происходит во время инфляции — под действием постоянной и огромной энергии ложного вакуума. Действительно, к моменту, когда инфляция закончится (решая проблему Горизонта) искривление Вселенной (если оно вначале равно нулю) будет столь малым, что вплоть до сегодняшнего дня при точном измерении Вселенная будет практически плоской.
Инфляция — единственное на сегодня реальное объяснение, как однородности, так и плоскостности Вселенной, основанное на том, что может быть фундаментальными и заслуживающими доверия микроскопическими теориями частиц и их взаимодействий. Но, кроме того, инфляция делает другое, возможно, даже более замечательное предсказание. Как я уже пояснил, из законов квантовой механики следует, что на очень малых масштабах в течение очень короткого времени пустое пространство может оказаться кипящим, бурлящим варевом виртуальных частиц и полей, сильно колеблющихся по величине. Эти «квантовые флуктуации» могут быть важными для определения характера протонов и атомов, но в целом они невидимы на больших масштабах, что является одной из причин, почему их появление столь необычно для нас.
Тем не менее, во время инфляции эти квантовые флуктуации могут обусловить время, когда то, что иначе было бы различными маленькими областями пространства, прекратит свой период экспоненциального расширения. В разных областях инфляция прекращается в слегка (микроскопически) разное время, при разной плотности материи и излучения, что приводит к тому, что энергия ложного вакуума, высвобождаемая в виде тепла в этих разных областях, немного отличается в каждой из них.
Характер флуктуаций плотности, которые получаются после инфляции — возникающих, я должен подчеркнуть, из-за квантовых флуктуаций в остальном пустого пространства — оказывается точно соответствует наблюдаемой картине холодных и горячих пятен на больших масштабах в космическом микроволновом фоновом излучении. Хотя, конечно, схожесть не является доказательством, среди космологов крепнет точка зрения, что, опять же, если это ходит как утка, выглядит как утка и крякает как утка, то это, вероятно, утка. И если инфляция действительно отвечает за все малые колебания плотности вещества и излучения, которые впоследствии приводят к гравитационному коллапсу материи в галактиках, звездах, планетах и людях, то действительно можно сказать, что все мы сегодня существуем благодаря квантовым флуктуациям в том, что, по сути, представляет собой
Это так замечательно, что я хочу подчеркнуть это снова. Квантовые флуктуации, которые в иных случаях были бы совершенно незаметны, застыли в результате инфляции и после этого проявились как флуктуации плотности, создавшие все, что мы можем видеть! Если все мы — звездная пыль, как я уже писал, то также верно, если случилась инфляция, что все мы, в буквальном смысле, вышли из квантового небытия.
Это столь поразительно контринтуитивно, что может показаться почти волшебством. Но есть, по крайней мере, один аспект всего этого инфляционного жонглирования, который может показаться особенно тревожным. Откуда изначально взялась вся эта энергия? Как микроскопически малая область стала сегодня областью вселенского размера, с материей и излучением, достаточным, чтобы объяснить всё, что мы можем видеть?
В более общем смысле, мы могли бы задать вопрос, как плотность энергии может оставаться постоянной в расширяющейся Вселенной с космологической постоянной или энергией ложного вакуума? В конце концов, в такой Вселенной пространство расширяется в геометрической прогрессии, так что если плотность энергии остается одинаковой, полная энергия в любой области будет расти, поскольку объем области растет. Что случилось с сохранением энергии?
Это пример того, что Гут назвал совершенно «бесплатным обедом». Удивительно, если в рассуждениях о Вселенной учитывать влияние гравитации, то это позволяет объектам иметь как «отрицательную», так и «положительную» энергию. Этот аспект гравитации допускает возможность, что положительная энергия вещества, такого как материя и излучение, может быть дополнена формой отрицательной энергии, которая просто уравновешивает энергию вещества, созданного положительной энергией. При этом гравитация может начать с пустой Вселенной и закончить полной.
Это может казаться неправдоподобным, но на самом деле для многих из нас в этом состоит суть очарования плоской Вселенной. Это также то, с чем вы, возможно, знакомы из физики средней школы.
Рассмотрим подбрасывание мяча в воздухе. Обычно он возвращается вниз. Теперь бросьте его сильнее (если вы не в помещении). Он полетит выше и будет находиться в воздухе дольше, прежде чем вернется. Наконец, если бросить его достаточно сильно, он не вернется совсем.
Он вырвется из гравитационного поля Земли и отправится в космос. Откуда мы знаем, когда мяч вырвется? Мы используем простую задачу расчета энергии. Движущийся объект в гравитационном поле Земли имеет два вида энергии. Одна, энергия движения, называется кинетической энергией, от греческого «движение». Эта энергия, которая зависит от скорости объекта, всегда положительна. Другая составляющая энергии, называемая потенциальной энергией (зависящая от потенциала сделать работу), как правило, отрицательна.
Поэтому мы и считаем суммарную гравитационную энергию объекта, расположенного в покое бесконечно далеко от любого другого объекта, равной нулю, что представляется разумным. Кинетическая энергия, очевидно, равна нулю, и мы определяем, что потенциальная энергия в этой точке равна нулю, так что суммарная гравитационная энергия равна нулю.
Теперь, если этот объект не бесконечно далеко от всех других объектов, а близко к такому объекту как Земля, он начнет падать на него из-за гравитационного притяжения. Когда он падает, он ускоряется, а если врежется во что-то по дороге (например, в вашу голову), он может совершить работу, скажем, расколов ее. Чем ближе он к поверхности Земли, когда начинает опускаться, тем меньше работы он может совершить к тому времени, когда попадает на Землю. Таким образом, потенциальная энергия
В классической механике, как я определил ее здесь, определение потенциальной энергии произвольно. Я мог бы приравнять потенциальную энергию объекта нулю на поверхности Земли, и тогда было бы некоторые большое число, когда объект бесконечно далеко. Приравнивание полной энергии нулю на бесконечности имеет физический смысл, но это, по крайней мере, на данный момент в нашей дискуссии, лишь условность.
Независимо от того, где установлена нулевая точка потенциальной энергии, замечательно в объектах, которые подвергаются только силе тяжести, то, что сумма их потенциальных и кинетических энергий остается постоянной. Когда объекты падают, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию движения, а когда они отскакивают от земли, кинетическая энергия преобразуется обратно в потенциальную, и так далее.
Это дает нам чудесный инструмент для учета того, как быстро нужно бросить что-то в воздухе, чтобы этот объект покинул Землю, поскольку если он в конечном итоге улетит бесконечно далеко от Земли, его суммарная энергия должна быть больше или равна нулю. Затем я просто должен убедиться, что его суммарная гравитационная энергия во время, когда он покидает руку, больше или равна нулю. Поскольку я могу контролировать только один аспект его суммарной энергии, а именно скорость, с которой я выпускаю его из руки — все, что нужно сделать, это найти волшебную скорость, где положительная кинетическая энергия мяча равна отрицательной потенциальной энергии, которую он имеет из-за притяжения к земной поверхности. И кинетическая, и потенциальная энергия мяча строго зависят от массы мяча, которая, следовательно, нейтрализуется, когда эти две величины уравниваются, и можно найти единственную «скорость отрыва» для всех объектов с поверхности Земли, а именно около 7 миль <11,2 км> в секунду, когда суммарная гравитационная энергия объекта точно равна нулю.
Что же все это дает для Вселенной в целом, и инфляции в частности, спросите вы? Что ж, точно такой же расчет, как я только что описал для мяча, брошенного рукой с поверхности Земли, относится к каждому объекту в нашей расширяющейся Вселенной.
Рассмотрим сферическую область нашей Вселенной с центром в месте нашего расположения (в галактике Млечный Путь) и достаточно большую, чтобы охватить много галактик, но достаточно маленькую, чтобы она вполне уложилась в наибольших расстояниях, которые мы можем наблюдать сегодня:
Если эта область достаточно велика, но не слишком, то галактики на ее краю будут удаляться от нас равномерно из-за расширения Хаббла, но их скорости будут гораздо меньше, чем скорость света. В этом случае применимы законы Ньютона, и мы можем игнорировать влияние специальной и общей теории относительности. Другими словами, любой объект подчиняется законам физики, идентичным тем, которые описывают мячи, пытающиеся покинуть Землю, как я только что представил.
Рассмотрим галактику, показанную выше, удаляющуюся от центра распространения, как показано на рисунке. Теперь, как и для мяча с Земли, мы можем спросить, сможет ли галактика вырваться из гравитационного притяжения всех других галактик внутри сферы. И расчет, который мы бы выполнили, чтобы найти ответ, в точности такое же, как при расчете, выполняемом для мяча. Мы просто рассчитываем суммарную гравитационную энергию галактики, основываясь на ее движении наружу (что придает ей положительную энергию), и гравитационном притяжении ее соседей (обеспечивающих отрицательную часть энергии). Если ее суммарная энергия больше нуля, она будет убегать в бесконечность, а если меньше нуля, она остановится и упадет внутрь.
Примечательно, теперь можно показать, что мы можем переписать простое ньютоновское уравнение для суммарной гравитационной энергии этой галактики так, что
Так что же мы тогда найдем? В плоской Вселенной, и только в плоской Вселенной, средняя суммарная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта при расширении точно
Это то, что делает плоскую Вселенную такой особенной. В такой Вселенной положительная энергия движения в точности компенсируется отрицательной энергией гравитационного притяжения.
Когда мы начинаем усложнять, позволяя пустому пространству иметь энергию, простая ньютоновская аналогия с мячом, подброшенным в воздух, становится некорректной, но вывод остается по существу таким же самым. В плоской Вселенной, даже с небольшой космологической постоянной, при условии, что масштаб достаточно мал, чтобы скорости были намного меньше скорости света, ньютоновская гравитационная энергия, связанная с каждым объектом во Вселенной, равна нулю.
Фактически, с энергией вакуума «бесплатный обед» Гута становится еще более драматичным. Когда каждая область Вселенной расширяется до всё больших размеров, она становится все ближе и ближе к плоской, так что суммарная ньютоновская гравитационная энергия всего, что получается, после того как энергия вакуума во время инфляции преобразуется в материю и излучение, становится точно равной нулю.
Но вы все равно можете спросить, откуда берется вся та энергия, которая поддерживает плотность энергии постоянной при инфляции, когда Вселенная растет в геометрической прогрессии? Здесь действует еще один замечательный аспект общей теории относительности. Мало того, что гравитационная энергия объектов может быть отрицательной, но и их релятивистское «давление» может быть отрицательным.
Отрицательное давление еще труднее представить, чем отрицательную энергию. Газ, скажем, в воздушном шаре, оказывает давление на стенки шара. При этом, если он расширяет стенки шара, он совершает над шаром работу. Эта работа заставляет газ терять энергию и охлаждаться. Тем не менее, оказывается, что энергия пустого пространства является гравитационно отталкивающей, именно потому, что она заставляет пустое пространство оказывать «отрицательное» давление. В результате этого отрицательного давления Вселенная фактически совершает работу
Таким образом, если квантовые свойства материи и излучения, оказалось, с очень ранних времен обеспечивают энергией даже бесконечно малую область пустого пространства, эта область может расти, становясь сколь угодно большой и сколь угодно плоской. Когда инфляция закончилась, мы получили Вселенную, полную вещества (материи и излучения), а суммарная ньютоновская гравитационная энергия этого вещества настолько близка к нулю, насколько только можно себе представить.
Поэтому, когда всё прояснилось, и после века исследований, мы измерили кривизну Вселенной и обнаружили, что она равна нулю. Вы можете понять, почему столь многие теоретики, такие как я, обнаружили, что это не только приносит большое удовлетворение, но и очень многообещающе.
Вселенная из ничего… действительно из ничего.
Глава 7. Наше печальное будущее
Будущее — не то, что было раньше.
В каком-то смысле и замечательно, и интересно оказаться во Вселенной, в которой господствует ничто. Структуры, которые мы можем видеть, такие как звезды и галактики, все были созданы квантовыми флуктуациями из ничего. И средняя суммарная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта в нашей Вселенной равна нулю. Наслаждайтесь этой мыслью, пока можете, если вы к ней склоняетесь, потому что если все это правда, то мы живем, пожалуй, в худшей из всех Вселенных, в которых можно жить, по крайней мере, что касается будущей жизни.
Помните, еще столетие назад Эйнштейн впервые разработал свою общую теорию относительности. Затем было расхожее мнение, что наша Вселенная статична и вечна. На самом деле, Эйнштейн не только высмеивал Леметра за предположение о Большом Взрыве, но и изобрел космологическую постоянную, чтобы сделать возможной статичную Вселенную.
Теперь, спустя столетие, мы, ученые, можем ощущать самодовольство за то, что открыли основополагающее расширение Вселенной, реликтовое излучение, темную материю и темную энергию.
Но что готовит нам будущее?
Поэзия… своего рода.
Напомню, что преобладание расширения нашей Вселенной за счет энергии, казалось бы, пустого пространства было выведено из факта, что это расширение ускоряется. И, как и при инфляции, описанной в предыдущей главе, наша наблюдаемая Вселенная находится на пороге расширения со скоростью быстрее, чем со скорость света. И со временем, из-за ускоренного расширения, все будет только хуже.
Это означает, что, чем дольше мы ждем, тем меньше мы сможем увидеть. Галактики, которые мы можем видеть сейчас, в один прекрасный день в будущем начнут удаляться от нас быстрее скорости света, что означает, что они станут для нас невидимыми. Свет, который они излучают, не сможет успевать за расширением пространства, и он никогда не достигнет нас снова. Эти галактики исчезнут с нашего горизонта.
Всё это будет немного иначе, чем вы можете себе представить. Галактики исчезнут или потухнут в ночном небе не внезапно. Скорее, по мере приближения скоростей их разбегания к скорости света, свет от этих объектов станет все больше смещаться в красную область. В конце концов, весь их видимый свет будет перемещаться в область инфракрасных, микро-, радиоволн, и так далее, пока длина волны света, который они излучают, не станет больше размера видимой Вселенной, и в этот момент они официально станут невидимыми.
Мы можем рассчитать, сколько времени это займет. Поскольку галактики в нашем местном скоплении галактик связаны друг с другом взаимным гравитационным притяжением, они не будут удаляться с фоновым расширением Вселенной, обнаруженным Хабблом. Галактики, расположенные в непосредственной близости от нашей группы, находятся на расстоянии примерно 1/5000 расстояния до точки, где скорость удаления объектов приближается к скорости света. Им потребуется около 150 миллиардов лет, примерно в 10 раз больше возраста Вселенной, чтобы попасть туда, где весь свет от звезд внутри галактик примерно в 5000 раз дальше сместится в красную область. Примерно через 2 триллиона лет их свет сместится в красную сторону на величину, которая сделает их длину волны равной размеру видимой Вселенной, и остальная часть Вселенной буквально исчезнет.
Может показаться, что два триллиона лет — долгое время, и это так. Однако в космическом смысле это далеко не вечность. Наиболее долгоживущие звезды «главной последовательности» (имеющие такую же эволюционную историю, как наше Солнце) живут гораздо дольше, чем наше Солнце, и будут по-прежнему светить через 2 триллиона лет (даже когда наше Солнце умрет примерно всего лишь через 5 миллиардов лет). И поэтому в далеком будущем на планетах вокруг этих звезд могут быть цивилизации, питаемые солнечной энергией, с водой и органическими веществами. И на этих планетах могут быть астрономы с телескопами. Но когда они посмотрят на космос, по сути всё, что мы можем теперь видеть, все 400 млрд. галактик, населяющих сейчас нашу видимую Вселенную, исчезнет!
Я попытался использовать этот аргумент в Конгрессе, чтобы призвать к финансированию космологии сейчас, пока у нас еще есть время наблюдать все, что мы можем! Для конгрессменов, однако, и два года — это очень долго. А два триллиона невообразимо.
В любом случае, для этих астрономов в далеком будущем было бы большим сюрпризом, если бы они получили какое-то представление о том, что они упустили, но они об этом не узнают. Потому что исчезнет не только остальная часть Вселенной, как мы с моим коллегой Робертом Шеррером из университета Вандербильта узнали несколько лет назад, но, по сути, все доказательства, говорящие нам, что мы живем в расширяющейся Вселенной, которая возникла с Большого Взрыва, также исчезнут, вместе со всеми свидетельствами существования темной энергии в пустом пространстве, которая будет ответственна за это исчезновение.
Тогда как менее чем столетие назад общепринятым еще считалось, что Вселенная была статичной и вечной, со звездами и планетами, возникающими и исчезающими, но на больших масштабах сама Вселенная в далеком будущем будет существовать, после того как все остатки нашей планеты и цивилизации, вероятно, будут выброшены на свалку истории, иллюзия, которую наша цивилизация испытывала до 1930 года, вернется снова, с удвоенной силой.
Есть три основных экспериментальных идеи, которые привели к эмпирической проверке Большого Взрыва, поэтому, даже если бы Эйнштейн и Леметр никогда не жили, мы были бы вынуждены признать, что Вселенная возникла в горячем и плотном состоянии: наблюдаемое расширение Хаббла; наблюдение космического микроволнового фонового излучения и наблюдаемое соответствие содержания легких элементов — водорода, гелия и лития — мы измерили во Вселенной со значениями, предсказывающими, что они были созданы в течение первых нескольких минут в истории Вселенной.
Давайте начнем с расширения Хаббла. Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется? Мы измеряем скорость разбегания далеких объектов в зависимости от расстояния до них. Тем не менее, как только все видимые объекты за пределами нашего локального скопления (в котором мы связаны гравитацией) исчезнут из нашего горизонта, у нас больше не будет никаких следов расширения — ни звезд, ни галактик, ни квазаров, ни даже больших облаков газа — которые могли бы отслеживать наблюдатели. Расширение будет настолько быстрым, что оно унесет из нашего поля зрения все объекты, которые в настоящее время от нас удаляются.
Кроме того, в масштабах примерно менее триллиона лет все галактики в нашей локальной группе объединятся в несколько крупных метагалактик. Наблюдатели в далеком будущем увидят более или менее точно то, что думали, что видят, наблюдатели в 1915 году: одинокую галактику со звездами и планетами, окруженную огромным, пустым, статичным космосом.
Напомню также, что все доказательства того, что пустое пространство обладает энергией, получены благодаря наблюдению ускорения нашей расширяющейся Вселенной. Но, опять же, без следов расширения ускорение нашей расширяющейся Вселенной будет ненаблюдаемым. Действительно, по странному стечению обстоятельств мы живем в единственной эре в истории Вселенной, когда присутствие темной энергии, пронизывающей пустое пространство, можно обнаружить. Правда, эта эра длится несколько сотен миллиардов лет, но в вечно расширяющейся Вселенной она представляет собой лишь мгновение космического ока.
Если предположить, что энергия пустого пространства приблизительно постоянна, как это было бы в случае с космологической постоянной, то в гораздо более ранние времена плотность энергии материи и излучения значительно превышала бы плотность энергии в пустом пространстве. Причина в том, что по мере расширения Вселенной плотность материи и излучения уменьшается вместе с расширением, потому что расстояние между частицами растет, так что становится меньше объектов в каждой единице объема. В ранние времена, скажем, более чем примерно 5-10 млрд лет назад, плотность материи и излучения была бы гораздо больше, чем сегодня. Поэтому во Вселенной в то время и ранее преобладали материя и излучение, с их последующим гравитационным притяжением. В таком случае, расширение Вселенной в эти ранние времена замедлилось бы, и гравитационное воздействие энергии пустого пространства было бы ненаблюдаемым.
К тому же, в далеком будущем, когда Вселенной будет несколько сотен миллиардов лет, плотность материи и излучения уменьшится еще больше, и можно подсчитать, что темная энергия будет иметь среднюю плотность во много тыс. млрд. раз больше, чем плотность всей остальной материи и излучения во Вселенной. К тому времени она будет полностью определять гравитационную динамику Вселенной на больших масштабах. Тем не менее, в том далеком будущем скорость расширения станет в сущности ненаблюдаемой. В этом смысле, энергия пустого пространства самой своей природой убеждает, что существует конечное время, в течение которого скорость расширения наблюдаема, и, на удивление, мы живем в это космологическое мгновение.
Что можно сказать о другом основополагающем аспекте Большого Взрыва, космическом микроволновом фоновом излучении, которое дает непосредственное представление о детстве Вселенной? Во-первых, поскольку, чем дальше, тем Вселенная расширяется все быстрее, температура реликтового излучения будет падать. Когда наблюдаемая сейчас Вселенная станет примерно в 100 раз больше, чем сейчас, температура реликтового излучения упадет в 100 раз, а его интенсивность, или плотность энергии, хранящейся в нем, упадет в 100 млн. раз, что приведет к тому, что тогда его будет в 100 миллионов раз труднее обнаружить, чем сейчас.
Но, в конце концов, мы смогли обнаружить реликтовое излучение среди всех других электронных шумов на Земле, и мы можем себе представить, что наблюдатели в далеком будущем будут в 100 миллионов раз умнее, чем те, которых мы прославляем сегодня, так что надежда еще есть. Увы, оказывается, что даже самый блестящий наблюдатель, какого можно себе представить, с самым чувствительным оборудованием, которое можно построить, все же фактически не сможет добиться успеха в далеком будущем. Причина в том, что в нашей галактике (или метагалактике, которая сформируется, когда наша галактика сольется со своими соседями, начиная с галактикой Андромеды примерно через 5 миллиардов лет) между звездами есть горячий газ, и этот газ ионизируется, поэтому в нем содержатся электроны, и он ведет себя подобно плазме. Как я описывал ранее, такая плазма непрозрачна для многих видов излучения.
Есть нечто, называемое «плазменной частотой», ниже которой излучение не может проходить сквозь плазму без поглощения. Основываясь на нынешней наблюдаемой плотности свободных электронов в нашей галактике, можно оценить плазменную частоту в нашей галактике, и если мы это сделаем, мы узнаем, что основная часть реликтового излучения от Большого Взрыва будет растянута ко времени, когда Вселенная достигнет возраста примерно в 50 раз больше современного, до достаточно длинных волн, и, следовательно, до достаточно низких частот, которые к тому времени будут ниже плазменной частоты нашей будущей (мета)галактики. После этого излучение по существу не сможет проникнуть в нашу (мета)галактику, чтобы его можно было наблюдать, независимо от упорства наблюдателя. Космическое микроволновое фоновое излучение тоже исчезнет.
Поэтому не будет никакого наблюдаемого расширения, никакого остаточного свечения Большого Взрыва. Но а как же обилие легких элементов — водорода, гелия и лития — которое также дает ясный след Большого Взрыва?
Действительно, как я описал в главе 1, всякий раз, когда я встречаю кого-то, кто не верит в Большой Взрыв, я люблю показать ему следующий рисунок, который я храню в виде карточки в моем бумажнике. Я тогда говорю: «Смотрите! Большой Взрыв был!»
Этот график выглядит очень сложно, я знаю, но он действительно показывает прогнозируемое относительное содержание гелия, дейтерия, гелия-3 и лития, по сравнению с водородом, исходя из нашего нынешнего понимания Большого Взрыва. Верхняя кривая, идущая вверх и вправо, отображает прогнозируемое содержание гелия, второго самого распространенного элемента во Вселенной (по весу) по сравнению с водородом (самым распространенным элементом). Следующие две кривые, идущие вниз и вправо, представляют прогнозируемое содержание соответственно дейтерия и гелия-3, не по весу, а по числу атомов, по сравнению с водородом. Наконец, нижняя кривая представляет прогнозируемое относительное содержание следующего легчайшего элемента, лития, опять же по числу атомов.
Эти прогнозируемые содержания нанесены в виде зависимости от предполагаемой общей плотности обычной материи (сделанной из атомов) во Вселенной сегодня. Если бы изменение этой величины не давало сочетания всех этих прогнозируемых содержаний элементов, которые соответствуют нашим наблюдениям, это было бы убедительным доказательством против того, что они созданы в горячем Большом Взрыве. Обратите внимание, что предсказанные содержания этих элементов варьируют почти на 10 порядков.
Незаштрихованные прямоугольники, связанные с каждой кривой, представляют допустимый диапазон фактически установленного изначального содержания этих элементов, основанного на наблюдениях старых звезд и горячего газа внутри и за пределами нашей галактики.
При этом вертикальная заштрихованная полоса представляет собой ту область, где все прогнозы
Стоит повторить смысл этого замечательного соответствия более настойчиво: только в первые секунды горячего Большого Взрыва, с начальным обилием протонов и нейтронов, давшим в результате что-то очень близкое к наблюдаемой плотности вещества в видимых галактиках сегодня, и плотностью излучения, оставившего след, который в точности соответствует наблюдаемой интенсивности космического микроволнового фонового излучения сегодня, только тогда могли происходить ядерные реакции, которые могли создать именно такое количество легких элементов, водорода и дейтерия, гелия и лития, которое, как мы полагаем, содержится в основных строительных блоках звезд, наполняющих ночное небо сейчас.
Как мог бы выразиться Эйнштейн, только очень злонамеренный (и, следовательно, непостижимый в своих мыслях) Бог замыслил бы создать Вселенную, которая так однозначно указывает на происхождение от Большого Взрыва, которого якобы не было.
В самом деле, когда приблизительное соответствие между полученным и предсказанным содержанием гелия во Вселенной, возникшей в результате Большого Взрыва, было впервые продемонстрировано в 1960 году, это были одни из ключевых данных, которые помогли представлению о Большом Взрыве одержать верх над очень популярной на то время стационарной моделью Вселенной, отстаиваемой Фредом Хойлом и его коллегами.
В далеком будущем, однако, все будет совсем по-другому. Звезды, например, сожгут водород, произведя гелий. В настоящее время только около 15 процентов всего наблюдаемого гелия во Вселенной могло быть произведено звездами со времени Большого Взрыва — снова же, есть убедительные доказательства, что требовался Большой Взрыв, чтобы создать все, что мы видим. Но в далеком будущем все будет не так, потому что еще много поколений звезд будет жить и умирать.
Например, когда Вселенной будет триллион лет, в звездах будет произведено гораздо больше гелия, чем в самом Большом Взрыве. Эта ситуация отображается на следующей диаграмме:
Если 60 процентов видимой материи во Вселенной состоит из гелия, для получения соответствия с данными наблюдений будет не нужно, чтобы первичный гелий был создан в горячем Большом Взрыве.
Однако наблюдатели и теоретики какой-то цивилизации в далеком будущем смогут использовать эти данные, чтобы сделать вывод, что Вселенная должна иметь конечный возраст. Поскольку звезды сжигают водород в гелий, будет верхний предел того, как долго звезды могут существовать, чтобы дальше не исчерпать соотношение между водородом и гелием. Таким образом, будущие ученые будут считать, что Вселенной, в которой они живут, меньше чем около триллиона лет. Но любые прямые свидетельства, что начало предполагало Большой Взрыв, а не какой-то другое спонтанное зарождение нашей будущей единственной (метагалактики, будут отсутствовать.
Напомню, что Леметр вывел свое утверждение о Большом Взрыве чисто на основании размышлений об общей теории относительности Эйнштейна. Мы можем предположить, что любая развитая цивилизация в далеком будущем откроет законы физики, электромагнетизма, квантовой механики и общей теории относительности. В связи с этим, сможет ли какой-нибудь Леметр из далекого будущего вывести аналогичное утверждение?
Вывод Леметра, что наша Вселенная должна была возникнуть в Большом Взрыве, был неизбежен, но он был основан на предположении, которое не будет справедливо для наблюдаемой Вселенной в далеком будущем. Вселенная с материей, простирающейся равномерно во всех направлениях, изотропная и однородная, не может быть статичной, по причинам, которые признавал Леметр и в конечном итоге Эйнштейн. Тем не менее, есть вполне хорошее решение уравнений Эйнштейна для одной массивной системы, окруженной в остальном пустым, статичным пространством. В конце концов, если такого решения не было бы, то общая теория относительности не могла бы описать отдельные объекты, такие как нейтронные звезды или, наконец, черные дыры.
Большие рассеяния масс, как наша галактика, неустойчивы, поэтому в конечном итоге, наша (мета)галактика сама коллапсирует, сформировав массивную черную дыру. Это описывается статическим решением уравнения Эйнштейна, называемым решение Шварцшильда. Но время для коллапса нашей галактики и формирования массивной черной дыры гораздо дольше, чем время исчезновения для остальной Вселенной. Таким образом, для ученых будущего будет казаться естественным представить, что наша галактика могла существовать в течение триллионов лет в пустом пространстве без особого коллапса и не требуя вокруг себя расширяющуюся Вселенную.
Конечно, рассуждать о будущем, как известно, трудно. Фактически я пишу это на Всемирном экономическом форуме в Давосе, Швейцария, где полно экономистов, которые неизменно предсказывают поведение будущих рынков и пересматривают свои прогнозы, когда те оказываются ужасно неправильными. В целом, я считаю, любые предсказания далекого (и даже не очень далекого) будущего науки и техники еще более поверхностны, чем предсказания «мрачной науки экономики». Действительно, всякий раз, когда меня спрашивают о ближайшем будущем науки, или когда будет следующий большой прорыв, я всегда отвечаю, что если бы я знал, я бы работал над этим прямо сейчас!
Поэтому мне хотелось бы думать, что картина, которую я представил в этой главе, немного похожа на картину будущего, представленную третьим призраком в «Рождественской истории» Диккенса. Это будущее, каким оно могло бы быть. В конце концов, так как мы понятия не имеем, какая темная энергия пронизывает пустое пространство, мы поэтому также не можем быть уверены, что она будет вести себя как космологическая постоянная Эйнштейна и оставаться неизменной. Если это не так, будущее Вселенной может совершенно другим. Расширение может не продолжать ускоряться, а вместо этого, возможно, вновь замедлится с течением времени, так что далекие галактики не исчезнут. С другой стороны, возможно, будут какие-то новые наблюдаемые элементы, которые мы пока не можем обнаружить, и которые могут предоставить астрономам в будущем доказательства того, что Большой Взрыв когда-то был.
Тем не менее, на основе всего, что мы знаем о Вселенной сегодня, будущее, которое я обрисовал, является наиболее правдоподобным, и интересно рассмотреть вопрос, могут ли логика, разум, и эмпирические данные еще как-то помочь будущим ученым прийти к правильному пониманию природы нашей Вселенной, или же она навсегда останется скрытой за горизонтом. Некоторые блестящие ученые будущего, изучая фундаментальный характер сил и частиц, могли бы получить теоретическую картину, которая будет предполагать, что инфляция должна была произойти, или что должна быть энергия в пустом пространстве, что помогло бы объяснить, почему в пределах видимого горизонта нет галактик. Но я не слишком оптимистичен по этому поводу.
Физика, в конце концов, эмпирическая наука, движимая опытом и наблюдениями. Если бы мы в результате наблюдений не сделали вывод о существовании темной энергии, я сомневаюсь, что какой-либо теоретик был бы достаточно смелым, чтобы предложить ее существование сегодня. И хотя можно также представить себе экспериментальные следы свидетельств, которые могли бы подсказать, что что-то не так с картиной единственной галактики в статичной Вселенной без Большого Взрыва — возможно, некоторые наблюдения содержания элементов, которое покажется аномальным — я подозреваю, что бритва Оккама будет говорить, что простейшая картина правильна, и что аномальные наблюдения можно объяснить какими-то локальными эффектами.
С тех пор как мы с Бобом Шеррером изложили перспективу, что в будущем ученые будут использовать опровергаемые данные и модели — настоящий образец хорошей науки — но в процессе этого они представят ложную картину мироздания, многие наши коллеги пытались предложить способы проверить, что Вселенная действительно будет расширяться в далеком будущем. Я тоже могу представить себе возможные эксперименты. Но я не могу вообразить, что они были бы хорошо мотивированы.
Например, вам нужно будет выбросить яркие звезды из нашей галактики и отправить их в космос, подождать около миллиарда лет, чтобы они взорвались, и постараться определить скорость их разбегания в зависимости от расстояния, которого они достигнут, прежде чем взорваться, чтобы увидеть, получат ли они какой-либо дополнительный толчок от возможного расширения пространства. Трудная задача, но даже если вы можете себе вообразить кого-то, кто с ней справится, я не могу представить себе, что Национальный научный фонд в будущем будет действительно финансировать эксперимент без, по крайней мере, какой-либо другой мотивации для доказательства расширения Вселенной. И если какие-то из звезд нашей галактики будут самопроизвольно выброшены, и будет видно, как они перемещаются в сторону горизонта, для меня не очевидно, что наблюдение аномального ускорения некоторых из этих объектов будет интерпретировано в терминах такого смелого и странного предположения, как расширяющаяся Вселенная, в которой преобладает темная энергия.
Мы можем считать, что нам повезло, что мы живем в настоящее время. Или, как выразились мы с Бобом в одной из написанных нами статей: «Мы живем в совершенно особое время… единственное время, когда мы можем экспериментально проверить, что мы живем в совершенно особое время!»
Мы написали это немного в шутку, но трезвое размышление наводит на мысль, что можно иметь в своем распоряжении лучшие наблюдательные и теоретические инструменты и, тем не менее, прийти к совершенно ложному представлению о крупномасштабной Вселенной.
Тем не менее, я должен отметить, что, хотя неполные данные могут привести к ложной картине, это сильно отличается от (ложной) картины, получаемой теми, кто предпочитает игнорировать эмпирические данные, выдумывая картину создания, которая противоречит доказательствам реальности (например, младоземельными креационистами), или теми, кто вместо этого требует существования чего-то, для чего нет никаких наблюдаемых доказательств (вроде божественного разума), чтобы примирить свой взгляд на создание со своими априорными предубеждениями, или, что еще хуже, теми, кто цепляется за сказки о природе, предполагающие ответы на вопросы, быстрее, чем их спрашивают. По крайней мере, ученые будущего будут основывать свои оценки на лучших доказательствах, имеющихся в их распоряжении, признавая, как и все мы, или, по крайней мере, как это делают ученые, что новые доказательства могут заставить нас изменить нашу основоположную картину реальности.
В связи с этим стоит добавить, что даже сегодня, возможно, нам не хватает чего-то, что мы могли бы наблюдать, если бы жили 10 миллиардов лет назад, или могли бы видеть, если бы жили на 100 млрд лет позже. Тем не менее, я должен подчеркнуть, что картина Большого Взрыва слишком прочно опирается на данные из каждой области, чтобы была доказана ее недействительность в основных компонентах. Но какое-нибудь новое, тонкое понимание мелких деталей в далеком прошлом или отдаленном будущем, или понимание происхождения Большого Взрыва и его возможной уникальности в пространстве, может легко появиться, если будут новые данные. На самом деле, я надеюсь, что так и будет. Один из уроков, который мы можем извлечь из возможного будущего конца жизни и разума во Вселенной — что мы должны иметь некоторые космическую скромность в своих притязаниях, даже если для космологов это трудно.
В любом случае, сценарий, который я только что описал, имеет определенную поэтическую гармонию, даже если он одновременно трагичен. В далеком будущем ученые получат картину Вселенной, которая будет выглядеть как та, что мы имели в начале прошлого века, что само по себе, в конечном счете, служило катализатором для исследований, которые привели к современной революции в космологии. Космология вернется к исходной точке. Я, например, считаю, что это замечательно, даже если это подчеркивает, что наш краткий звездный час может выглядеть в итоге тщетным.
Несмотря на это, основная проблема, которую демонстрирует возможный будущий конец космологии — это то, что у нас есть только одна Вселенная для исследований — та, в который мы живем. Хотя мы и должны ее исследовать, если хотим иметь какую-то надежду понять, как появилось то, что мы сейчас наблюдаем, мы, тем не менее, ограничены как в том, что мы можем исследовать, так и в нашей интерпретации данных.
Если существует много вселенных, и если бы мы могли как-то исследовать несколько из них, у нас было бы больше шансов узнать, какие наблюдения действительно значимы и фундаментальны, а какие возникли лишь случайно в нашей ситуации.
Как мы увидим дальше, если последняя возможность маловероятна, то первая — нет, и ученые устремляются вперед с новыми исследованиями и новыми предположениями, чтобы углубить наше понимание неожиданных и странных особенностей нашей Вселенной.
Однако прежде чем продолжить, стоит, пожалуй, закончить другой, более литературной картиной вероятного будущего, которое я представил здесь, картиной, которая имеет особое отношение к теме этой книги. Она представлена в ответе Кристофера Хитченса на сценарий, который я только что описал. Как он выразился: «Те, кто считает замечательным, что мы живем во Вселенной „чего-то“, погодите. Ничто движется встречным курсом прямо на нас!»
Поделиться книгой: