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

Оказалось, что на вопрос о том, как на самом деле ведет себя частица, ответить очень трудно. Именно поэтому ученые на протяжении многих десятилетий спорили по поводу интерпретаций квантовой механики. То, как частица путешествует между точками А и Б, по-прежнему остается в некотором смысле загадкой, как и то, почему, будучи небольшим локализованным объектом, частица подчиняется математике, описывающей распространяющиеся в пространстве волны.

Тем не менее данные, с которыми согласны все, очень ясно дают понять, что туннелирование сквозь, казалось бы, непроходимые барьеры случается регулярно. Если уж частица оказалась зажатой в каком-то промежутке, стена ее не остановит. Подобное мастерство побега настолько характерно для частиц, что люди, разрабатывающие такие устройства как сотовые телефоны и микропроцессоры, вынуждены учитывать вероятность, что какой-нибудь электрон может внезапно материализоваться на другой стороне чипа. Это свойство даже применяется в некоторых технологиях, включая флеш-память. А сканирующие туннельные микроскопы используют так называемый туннельный ток для получения изображений отдельных атомов исследуемой поверхности.

Свойство электронов перепрыгивать через короткие промежутки или протискиваться сквозь изоляционные барьеры может показаться хорошим трюком, однако все становится гораздо более зловещим, когда вы понимаете, что на квантовое туннелирование способны не только частицы, но и поля. Например, поле Хиггса, отделенное от состояния истинного вакуума потенциальным барьером, может туннелировать прямо в него. Как только вы это осознаете, единственная граница, отделяющая нашу гостеприимную Вселенную от тотальной космической катастрофы, покажется вам гораздо менее солидной.

Хорошая (в некотором роде) новость заключается в том, что даже такое странное событие, как квантовое туннелирование, следует определенным правилам, по крайней мере, когда речь идет об ожидаемой частоте его наступления.

Вероятность туннелирования зависит от физических характеристик системы, а это означает, что вероятность наступления такого события в течение заданного периода времени можно достаточно точно определить. Разумеется, на это способен далеко не каждый. Но какой бы сложной ни была квантовая механика для понимания или интерпретации, она, по крайней мере, позволяет производить расчеты.

Однако эти расчеты не дают нам ничего более определенного, чем оценка вероятности. Мы не можем с уверенностью заявить, что поле Хиггса не туннелирует из ложного вакуума в истинный и не создаст квантовый пузырь смерти прямо рядом с вами в течение следующих 30 секунд, запустив процесс всеобщего уничтожения. Мы можем сказать лишь то, что такой сценарий крайне маловероятен. (Во всяком случае, в части «следующих 30 секунд». Если наш вакуум действительно является метастабильным, то, строго говоря, этот пузырь однажды должен возникнуть.)

Согласно лучшим из имеющихся оценок, наш уютный вакуум вряд ли подвергнется радикальному изменению в ближайшее время, – на момент написания книги этот период оценивался в 10 100лет. К тому времени мы, вероятно, будем находиться в процессе тепловой смерти, а если нам совсем не повезет, – переживать Большой разрыв. В последнем случае мгновенное безболезненное уничтожение может показаться не таким уж плохим вариантом.

Итак, технически я не могу утверждать, что распад вакуума не может произойти в любой момент. Я также не могу сказать наверняка, что это уже не случилось где-то в Солнечной системе, в другой части Млечного Пути или в другой галактике и не породило расширяющийся со скоростью света пузырь, тихо приближающийся к нам прямо сейчас. Однако если паранойя все-таки не дает вам покоя, я могу заверить вас в том, что у вас гораздо больше шансов быть пораженным молнией, попасть под машину, сгинуть под копытами разбушевавшегося быка или получить по голове метеоритом, чем столкнуться с пузырем истинного вакуума.

Но есть еще одно обстоятельство.

Мы уже сказали, что не можем вызвать распад вакуума, сталкивая частицы высокой энергии, а спонтанное туннелирование настолько маловероятно, что нам, пожалуй, стоит просто забыть о нем. Однако недавно физики описали еще один вариант уничтожения Вселенной вследствие распада вакуума и, надо сказать, довольно интересный.

В 2014 году Рут Грегори, Ян Мосс и Бенджамин Уизерс, опираясь на предыдущие работы в этой области, опубликовали статью, которая привлекла мое внимание. В ней говорилось о том, что хотя спонтанный распад вакуума происходит очень медленно, присутствие черной дыры может значительно ускорить этот процесс и сделать его более интересным. Они утверждали, что настоящую опасность представляет маленькая черная дыра, поскольку черные дыры размером с частицу способны значительно повысить вероятность распада вакуума прямо над ними. Может быть, нам и не придется ждать 10 100лет.

В данном случае процесс напоминает конденсацию воды на пылинке в комнате с влажным воздухом или формирование облаков в верхних слоях атмосферы. Пылинка представляет собой место зарождения – особую точку, в которой этот процесс происходит легче, чем в других. Молекулам воды будет проще соединиться друг с другом, если сначала они прикрепятся к чему-то еще. Таким образом, наличие примеси может запустить цепную реакцию там, где в противном случае ситуация могла бы оставаться прежней. Оказывается, крошечные черные дыры могут выступать в качестве места зарождения пузырей истинного вакуума, но только в том случае, если они действительно очень маленькие.

К счастью для Вселенной, наше текущее понимание гравитационной физики говорит о том, что формирование таких черных дыр крайне маловероятно. Согласно нашим оценкам, черные дыры могут образоваться лишь при наличии массы, превышающей солнечную, в результате коллапса массивной звезды в конце ее жизненного цикла. Такие черные дыры могут увеличить свою массу путем поглощения вещества или слияния друг с другом, однако сокращение размера – это совсем другое дело. Они могут терять массу лишь за счет испарения Хокинга (см. главу 4), а это занимает очень много времени. Черная дыра, масса которой равна солнечной, имеет ожидаемое время жизни около 10 64лет. В какой-то момент ближе к концу этого периода черная дыра может стать достаточно маленькой для того, чтобы спровоцировать распад вакуума, однако нам еще очень долго не придется беспокоиться по этому поводу. Также было высказано предположение, что в ранней Вселенной крошечные черные дыры могли образовываться под влиянием чрезвычайно высокой плотности, характерной для стадии Горячего Большого взрыва, но пока у нас нет никаких свидетельств в пользу этой гипотезы. Однако если бы маленькие черные дыры действительно возникали и были способны дестабилизировать вакуум, нас бы здесь не было. Таким образом, если мы принимаем во внимание этот довод и допускаем вероятность распада вакуума, то мы должны признать ошибочной любую теорию, предполагающую формирование крошечных черных дыр в ранней Вселенной, просто на основании факта нашего существования.