Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Согласно стандартной теории Большого взрыва, после Планковской эпохи наступила эпоха великого объединения. (Под термином «эпоха» я подразумеваю промежуток времени продолжительностью около 10 -35секунды). Эпоха великого объединения была названа в честь Теории великого объединения (ТВО), которая представляет собой утопический идеал «единой» теории, описывающей, как все силы физики элементарных частиц работали вместе в экстремальных условиях ранней Вселенной. Несмотря на то что Вселенная быстро остывала, она все еще была настолько горячей, что количество энергии в каждой точке пространства в триллион раз превышало энергию, генерируемую самыми мощными столкновениями в наших самых совершенных ускорителях частиц. К сожалению, отчасти вследствие такой огромной разницы, не позволяющей нам провести экспериментальные испытания, эта теория до сих пор находится на стадии разработки. Тем не менее, мы можем многое сказать о ней и о том, чем она отличается от того, что мы наблюдаем сегодня.

В обычных условиях современной Вселенной каждая фундаментальная сила природы играет особую роль. Гравитация не дает нам всем улететь с Земли, электричество обеспечивает нас светом, магнетизм удерживает список покупок на дверце холодильника, слабое ядерное взаимодействие гарантирует стабильную работу ядерных реакторов, а сильное ядерное взаимодействие не дает распасться протонам и нейтронам, составляющим наши тела. Однако физические законы, определяющие работу этих сил, их взаимодействие друг с другом и возможность их различения, зависят от условий, в которых проводятся измерения. В частности, от энергии окружающей среды или от температуры. При достаточно высоких уровнях энергии эти силы начинают сливаться и объединяться, изменяя характер взаимодействия частиц и сами законы физики.

Давно известно, что даже в обычных условиях электричество и магнетизм являются аспектами одного и того же явления, на основе которого работают электромагниты и динамо-машины генерируют электричество.

Подобная возможность объединения – просто подарок для физиков. Мы всегда очень радуемся, когда можем взять два сложных явления и сказать: «На самом деле, если вы посмотрите на них под этим углом, вы увидите, что они представляют собой одно и то же». В некотором смысле в этом и заключается конечная цель теоретической физики – отыскать способ объединения всех сложных вещей, которые нас окружают, в нечто красивое, компактное и простое, что всего лишь кажется сложным с нашей странной низкоэнергетической позиции.

В физике элементарных частиц эта попытка получила название Великого объединения. Основываясь на теории и результатах экстраполяции данных, полученных в ходе лабораторных экспериментов, мы считаем, что при очень высоких уровнях энергии электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия объединяются, превращаясь в нечто совершенно иное. При этом нет никакого способа их различить, поскольку все силы являются компонентами одной и той же смеси частиц и энергии, описываемой Теорией великого объединения. Было разработано и предложено несколько ТВО, однако сложность достижения тех уровней энергии, где происходит объединение, затрудняет их подтверждение или исключение, поэтому мы назовем это «областью активных исследований», которой не помешает дополнительное финансирование.

Вероятно, вы заметили, что гравитация не была приглашена на вечеринку ТВО. Чтобы включить гравитацию в общую картину, нам нужно нечто более грандиозное и всеобъемлющее, чем Теория великого объединения, – нам нужна Теория всего (ТВ). Большинство физиков считают, что в конце Планковской эпохи гравитация была каким-то образом объединена с другими силами (с драконами или с чем-то еще, что тогда имело место). Однако, как мы уже говорили, общая теория относительности и физика элементарных частиц не очень хорошо работают вместе в их нынешнем виде, поэтому в разработке Теории всего мы достигли даже меньшего прогресса, чем в разработке ТВО. Многие люди в качестве возможной окончательной ТВ рассматривают теорию струн. Однако если ТВО трудно проверить экспериментально, то проверить ТВ фактически невозможно, по крайней мере, с помощью тех технологий, которые мы в состоянии себе представить. Время от времени вспыхивают споры о том, верно ли это и можно ли считать непроверяемые теории наукой. Я не думаю, что ситуация настолько ужасна, как нам кажется. Космология может помочь решить данную проблему (и я говорю это не просто потому, что я сама космолог). В некоторых случаях, применив творческий подход, можно найти заманчивые возможности для проверки предсказаний теории струн и связанных с ней идей путем наблюдения за космосом. Если нам удастся пережить пару апокалипсисов, описанных в следующих нескольких главах, мы увидим, что космология способна рассказать о фундаментальной структуре Вселенной гораздо больше, чем любой эксперимент с частицами.

Однако давайте вернемся к истории. Мы оставили позади Планковскую эпоху с присущей ей квантово-гравитационной путаницей и наслаждаемся единством фундаментальных взаимодействий, свойственным чуть менее спекулятивной эпохе Великого объединения.

То, что произошло дальше, все еще остается предметом дискуссий, однако большинство космологов согласны в том, что примерно в этот момент Вселенная пережила процесс, который мы называем космической инфляцией. По каким-то причинам, нам не до конца понятным, расширение Вселенной внезапно ускорилось, и та область, которой предстояло стать нашей наблюдаемой Вселенной, увеличилась в размерах более чем в 100 триллионов триллионов (т. е. 10 26) раз. Разумеется, при этом она достигла всего лишь размера пляжного мяча, однако, учитывая, что начальная точка была неизмеримо меньше любой известной нам частицы, а процесс расширения занял примерно 10 -34секунды, это не может не произвести впечатление.

Теория инфляции позволила решить несколько по-настоящему сложных проблем, свойственных стандартной модели Большого взрыва. Одна из них была связана со странной однородностью космического микроволнового фонового излучения, а другая – с крошечными отклонениями в нем.

Проблема однородности заключается в том, что стандартная космологическая модель Большого взрыва никак не объясняет тот факт, что вся наблюдаемая Вселенная, включая области, находящиеся на противоположных сторонах неба, имела одну и ту же температуру на ранних стадиях развития. Изучая отголоски Большого взрыва, мы видим, что она была одинаковой везде, что, если подумать, кажется весьма странным совпадением. Как правило, два объекта могут иметь одинаковую температуру в том случае, если они находятся в состоянии, которое мы называем термодинамическим равновесием. Это означает, что у таких объектов есть возможность обмениваться теплом, а также время для этого. Если вы оставите чашку кофе в комнате на достаточно долгое время, кофе и воздух будут взаимодействовать друг с другом, и в итоге вы получите чашку с кофе комнатной температуры и комнату с немного более теплым воздухом. Проблема стандартной картины ранней Вселенной состоит в том, что она не предусматривает ситуацию, в которой две отдаленные области могли бы взаимодействовать друг с другом и достичь теплового равновесия. Если мы возьмем две точки на противоположных сторонах небосвода и выясним расстояние между ними сейчас и расстояние, которое разделяло их в самом начале, 13,8 миллиарда лет назад, мы обнаружим, что в истории Вселенной не было момента, когда они находились достаточно близко для того, чтобы лучи света могли перемещаться между ними, уравновешивая их температуру. Луч света, покинувший одну из этих точек в момент возникновения Вселенной, даже за 13,8 миллиарда лет не успел бы преодолеть расстояние до другой точки. Они всегда находились вне горизонтов друг друга и не имели возможности как-то взаимодействовать [23] В этом упрощенном объяснении есть один нюанс, который не дает мне покоя. С одной стороны, я говорю, что эти области никогда не взаимодействовали друг с другом, однако я также заявляю, что Вселенная началась с сингулярности, где, как можно предположить, расстояния между всеми объектами были равны нулю. Причина, по которой это не решает проблему, заключается в следующем. Возьмите две точки, которые в настоящее время находятся на противоположных сторонах небосвода. Предположим, что в нулевое время расстояние между ними равнялось нулю. Проблема заключается в том, что во все последующие моменты времени эти области не взаимодействовали между собой и не могли обмениваться информацией (например, лучами света, несущими информацию о температуре). «А как насчет самого нулевого момента?» – спросите вы. Несмотря на то что мы можем обозначить первый момент как нулевой, речь буквально идет о нулевом времени, поскольку само время началось с сингулярности. Так что до этого момента у этих точек не было времени для обмена информацией (потому что не было самого времени), и каждый последующий момент имеет ту же проблему, связанную со слишком большой их удаленностью для обмена информацией. . Таким образом, либо мы имеем дело с самым масштабным совпадением во Вселенной, либо на ранней стадии ее развития произошло некое событие, которое обеспечило это равновесие.