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

В отличие от других эпизодов монументального пересмотра основ физики, в данном случае речь шла далеко не о новой идее. Космологическая постоянная была детищем Эйнштейна [37] Надо признать, у этого парня было очень много хороших идей. и прекрасно вписывалась в его уравнения гравитационного поля, определяющие эволюцию Вселенной. Однако в ее основе лежала глубоко ошибочная предпосылка, поэтому ее вообще не стоило вводить.

Эйнштейн был очень отзывчивым человеком. Он ввел космологическую постоянную, чтобы спасти Вселенную от возможного катастрофического коллапса. Точнее, от того коллапса, который уже давно должен был произойти. Как эксперт во всем, что касается гравитации, Эйнштейн знал, что, судя по имеющимся данным, сила тяготения уже давно должна была разрушить Вселенную. Это было в 1917 году, за полвека до официального признания теории Большого взрыва, когда космос все еще считался статичным и неизменным. Звезды могли жить и умирать, материя – слегка переупорядочиваться, но пространство в то время считалось лишь фоном для происходящих в нем событий. Поэтому, когда Эйнштейн увидел на ночном небе кажущиеся неподвижными звезды, он понял, что Вселенная в опасности. Он полагал, что каждая звезда должна притягивать все остальные, из-за чего все они должны медленно сближаться. Огромные пространства между звездами в данном случае не имеют значения, поскольку сила тяжести действует на любом расстоянии. (В то время никто еще не знал о существовании других галактик, в противном случае он применил бы этот аргумент и к ним. Проблема бы при этом не исчезла.) В неизменной Вселенной вы никогда не сможете удалиться от объекта на достаточно большое расстояние, чтобы на том или ином уровне не испытывать его гравитационное воздействие, которое со временем должно сблизить вас. Расчеты Эйнштейна говорили о том, что любая вселенная, наполненная массивными объектами, уже давно должна была коллапсировать. Само существование космоса представлялось неким противоречием.

Это, разумеется, выглядело не очень хорошо. К счастью, Эйнштейн нашел в своей общей теории относительности место для небольшой, но спасительной для Вселенной, корректировки. Ничто в космосе не может противостоять гравитации звезд, за исключением разве что самого пространства. Эйнштейн уже вывел красивое уравнение для описания того, как структура пространства реагирует на гравитационное воздействие всего вещества в космосе.

Чтобы уберечь пространство от мгновенного коллапса, вызванного гравитацией, ему было достаточно признать свои уравнения неполными и добавить член, который мог бы объяснить растяжение пространства между гравитирующими объектами, компенсирующее обусловленное гравитацией сжатие. Этот член представлял собой не новый компонент Вселенной, а свойство самого пространства, каждой точке которого присуща некая сила отталкивания. Когда пространства много, а материи мало (как в промежутках между звездами или галактиками), эта сила отталкивания может компенсировать гравитационное притяжение.

Уравнение сработало. Оно хорошо описывало статичную Вселенную, в которой существование других звезд и галактик не приводит к мгновенному коллапсу пространства. Эйнштейн снова это сделал.

Единственная проблема заключается в том, что Вселенная не статична. Это стало очевидным для астрономического сообщества несколько лет спустя, когда выяснилось, что бледные пятна на небе, ранее называвшиеся «спиральными туманностями», на самом деле представляют собой другие галактики. Вскоре на основании красного смещения этих галактик Хаббл доказал, что Вселенная расширяется. В отличие от обреченной статичной Вселенной, на которую действует только гравитация, расширяющаяся Вселенная может быть спасена, – по крайней мере, на время, – своим собственным расширением. Гравитация может замедлить этот процесс и в итоге повернуть его вспять, однако Вселенная способна прекрасно существовать на протяжении многих миллиардов лет благодаря первоначальному импульсу и сохраняющимся последствиям ее расширения. (Как началось это расширение – совсем другая история. Для решения стоящей перед нами проблемы достаточно того, чтобы Вселенная не была обречена на практически мгновенное уничтожение, и позаботиться об этом может космологическая константа или расширение пространства.)

Новость о том, что Вселенная расширяется, потребовала переосмысления всей космологии и поставила Эйнштейна в затруднительное положение. Он с неохотой удалил космологическую постоянную из своих уравнений и начал предпринимать попытки революционизировать какую-нибудь другую область фундаментальной физики. И так продолжалось вплоть до в 1998 года, когда результаты наблюдения сверхновых снова внесли путаницу в представления об эволюции Вселенной. Ускоряющееся расширение пространства потребовало повторного введения космологической постоянной, и слабым утешением остается лишь то, что тогда Эйнштейн уже не мог укорить всех фразой: «Я же говорил».

Тот факт, что космологическая постоянная позволяет Вселенной расширяться с ускорением, не означает, что большинство специалистов считают ее введение хорошим и разумным решением [38] Вы понимаете, что излишне требовательны, когда вам мало простого спасения Вселенной. . С теоретической точки зрения мы не можем объяснить, почему космологическая постоянная должна иметь именно то значение, которое она имеет. Почему эта подозрительно удобная поправка для наших уравнений вообще должна существовать? И если уж без космологической постоянной не обойтись, почему бы ей не иметь большее значение? Один из наиболее естественных способов объяснения существования космологической постоянной во Вселенной связан с энергией вакуума, или пустого пространства, которая отвечает за такие странные явления, как квантовые флуктуации, то есть возникновение и исчезновение виртуальных частиц. Однако расчетная величина энергии вакуума, предсказанная квантовой теорией поля, оказалась на 120 порядков выше экспериментально измеренной. На случай, если вам не знаком этот термин, разница на порядок – это разница в 10 раз, на два порядка – в 100 раз, а на 120 порядков – в 10 120раз. Даже в астрофизике, где с числами порой обращаются довольно легкомысленно, это расхождение кажется весьма серьезным. Итак, если космологическая константа не является энергией вакуума, столь любимой физиками-теоретиками, что же это такое?

Одно из предложенных решений «проблемы космологической постоянной» основано на гипотезе о том, что данная константа невелика в нашей наблюдаемой Вселенной, но может принимать другие значения в отдаленных областях космоса, а мы лишь случайно оказались там, где оказались. (А может, и не случайно, если другие значения космологической постоянной каким-либо образом препятствуют развитию жизни и сознания, например заставляя пространство расширяться слишком быстро и предотвращая формирование галактик.) Другое возможное объяснение заключается в том, что мы имеем дело не с космологической постоянной, а с неким неизвестным пока энергетическим полем Вселенной, способным со временем меняться. И в этом случае есть вероятность, что оно превратилось в то, чем является сейчас, по какой-то другой причине.