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

А может быть и так, что дальнейшие разработки в области фундаментальной физики расскажут нам о совершенно новых вариантах гибели Вселенной. Возможность существования дополнительных пространственных измерений, которые не дают покоя физикам, надеющимся создать миниатюрные черные дыры с помощью ускорителей частиц, обогащает Вселенную новыми неизведанными областями. Подобно исследователю, достигшему края карты, мы протягиваем руку, не зная, что нам предстоит найти. Дополнительные пространственные измерения могут помочь нам разрешить некоторые проблемы в теориях гравитации, однако на полях постоянно расширяющейся космической карты мы наверняка обнаружим предупреждение: «здесь водятся монстры».

14 сентября 2015 года, в 9 часов 50 минут и 45 секунд утра по Гринвичу вы на миг стали чуточку выше.

Гребень гравитационной волны, которая вас омыла, путешествовал по космосу, искривляя само пространство, на протяжении 1,3 миллиарда лет, – с момента слияния двух черных дыр, масса каждой из которых в 30 раз превышала массу Солнца. Хотя вы, скорее всего, ничего не заметили. В конце концов, ваш рост увеличился менее чем на миллионную ширины протона, однако от внимания физиков из лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) это не укрылось. Первое обнаружение гравитационных волн стало кульминацией многолетних поисков, потребовавших разработки новых технологий и создания самого чувствительного оборудования в истории экспериментальной физики. Выявление этой ряби на ткани пространства-времени послужило окончательным подтверждением общей теории относительности Эйнштейна.

Еще более важно, что это открытие ознаменовало начало новой эры астрономических наблюдений. Оно позволило взглянуть на Вселенную совершенно по-другому. Теперь вместо сбора света или высокоэнергетических частиц, испущенных удаленными объектами, мы могли почувствовать вибрацию самого пространства и впервые получить представление об отдаленных космических катастрофах, способных сотрясти самые основы реальности.

С момента этого первого открытия гравитационно-волновая астрономия продолжала поставлять нам сведения о катастрофических слияниях черных дыр и нейтронных звезд, а также позволяла нам с беспрецедентной точностью изучать работу гравитации. Однако гравитационные волны способны подсказать ответы и на более фундаментальные вопросы. Они могут не только дать нам новое представление о форме и происхождении нашей Вселенной, но и намекнуть на то, что может находиться за ее пределами, – на то, что может в итоге ее уничтожить.

Мы давно знаем, что с гравитацией что-то не так. Она работает слишком хорошо.

До сих пор общая теория относительности Эйнштейна с блеском выдерживала все испытания. На протяжении десятилетий физики пытались отыскать какое-нибудь отклонение, из-за которого простые [70] «Простота» в данном случае вопрос перспективы. Работа с уравнениями общей теории относительности требует глубокого понимания дифференциальной геометрии, которая обычно изучается на старших курсах физических или математических факультетов. Однако если вы их выпускник, то эти уравнения могут показаться вам столь же изящными и прозрачными, как тонкое стекло. уравнения теории Эйнштейна могут перестать работать. В каких-нибудь экстремальных условиях, например на краю черной дыры или в центре нейтронной звезды, эти уравнения должны дать сбой. До сих пор мы ничего не находили, но мы уверены, что ищем не напрасно.

Для этого у нас есть веские основания. По сравнению с другими силами гравитация кажется весьма странной. Она выглядит совершенно иначе с математической точки зрения, и она слишком слабая. Разумеется, когда речь идет о массе, достаточной для формирования галактики или черной дыры, гравитация кажется довольно сильной. Но в повседневной жизни она представляет собой самую слабую из всех сил, с которыми вы имеете дело. Каждый раз, когда вы поднимаете кофейную чашку, вы преодолеваете гравитационное притяжение целой планеты. Для того чтобы гравитация начала хотя бы конкурировать с ядерными силами, удерживающими атомы вместе, необходимо сжать массу Солнца до размера города.

Но сравнение сил – это еще не все. Идея о том, что все фундаментальные взаимодействия могут представлять собой различные аспекты одного и того же явления на чрезвычайно высоких уровнях энергии, как правило, считается ключом к истинному пониманию, как работает физика. Мы надеемся разработать некую всеобъемлющую «теорию всего», которая объединяет гравитацию с остальными силами, действующими на элементарные частицы, и объясняет, ну, в общем… все.

Однако пока гравитация не спешит нам подыгрывать. У нас есть подтвержденная экспериментами теория электрослабого взаимодействия (объединяющая электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие). Кроме того, у нас есть несколько весьма многообещающих идей относительно Теории великого объединения, объединяющей электрослабое и сильное ядерное взаимодействия. Но каждый раз, когда мы пытаемся включить в теорию гравитацию, ее слабость разрушает всю картину. Даже если отвлечься от этого, гравитация и квантовая механика (которая описывает работу всех остальных сил) явно противоречат друг другу в предсказаниях о том, что должно происходить, например, на краю черной дыры. И если бы мы сумели привести гравитацию в соответствие с остальными силами, это нам очень помогло бы.

Для этого, судя по всему, есть несколько способов. Самый очевидный из них – отказаться от идеи объединения и позволить теории гравитации оставаться отдельной от всей физики. Вполне возможно, что никакой теории всего просто не существует, и мы никогда не сумеем собрать все эти фрагменты воедино. Однако мне как физику невыносима даже мысль об этом, так что предлагаю приберечь ее на крайний случай.

Гораздо более привлекательная и захватывающая идея состоит в том, что проблема заключается в нашей теории гравитации, и если скорректировать или заменить общую теорию относительности, все встанет на свои места. В этом направлении было предпринято множество впечатляющих и вполне обоснованных попыток. Теории квантовой гравитации, наиболее известными примерами которых являются теория струн и петлевая квантовая гравитация, по-прежнему активно обсуждаются теоретиками, стремящимися объединить гравитацию с физикой элементарных частиц и завязать все это струной. Или петлей. Ну, вы поняли. В каждом из этих сценариев мы получаем гравитацию, которая квантуется, то есть выражается в терминах частиц и полей, а не сил или искривления пространства. И эти частицы и поля хорошо сочетаются с квантовыми теориями поля, которые объясняют взаимодействия между кварками, электронами, фотонами и другими субатомными частицами. В этом случае гравитацию можно было бы представить как обмен частицами, называемыми гравитонами, подобно тому, как электромагнитное поле является результатом обмена фотонами. И гравитационные волны, которые мы в настоящее время описываем как растяжение и сжатие пространства-времени, также можно представить в виде движения гравитонов, проявляющих свою волнообразную природу.