Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Пока что Солнце еще не сожгло и половины своего топлива. До этого осталось больше времени, чем тот срок, который заняла вся эволюция жизни на Земле. Но Галактика надолго переживет Солнце. Даже если существующая на Земле жизнь является уникальной, впереди еще очень много времени, чтобы распространить ее по всей Галактике и за ее пределы. Жизнь и разум в конце концов заселят звезды и даже галактики. Я воздерживаюсь от дальнейших размышлений на эту тему не потому, что они абсурдны по своему содержанию, а потому, что открывают такое огромное разнообразие потенциальных вариантов (многие из которых известны по научной фантастике), что мы ничего не можем предсказать. Напротив, долгосрочные предсказания о судьбе всей нашей Вселенной можно сделать с большей долей уверенности.

Наша Галактика определенно завершит свое существование мощным ударом при столкновении через 5 или 6 млрд лет. Но будет ли Вселенная расширяться вечно? Будут ли далекие галактики отодвигаться от нас еще дальше? Или это движение в конце концов пойдет в обратном направлении и Вселенная схлопнется в «Большом хлопке»?

Ответ на этот вопрос зависит от результата «соревнования» между тяготением и энергией расширения. Представьте себе, что большой астероид или планета разваливается на фрагменты. Если эти осколки разлетаются достаточно быстро, они улетят в космос. Но если разрушение будет не таким катастрофическим, притяжение может направить движение обломков в противоположную сторону и они снова соберутся вместе. То же самое происходит и с каждым большим образованием во Вселенной: сейчас мы знаем скорость расширения, но не сможет ли тяготение в конце концов остановить его? Ответ зависит от того, как много вещества взаимодействует с гравитационной силой. Вселенная снова схлопнется – тяготение наконец победит расширение, если только не вмешаются какие-то другие силы – если плотность не превысит определенного критического значения.

Эту критическую плотность очень легко рассчитать. Она составляет примерно 5 атомов на 1 м 3, что кажется очень небольшой величиной; на самом деле это гораздо ближе к полному вакууму, чем те значения, которых когда-либо добивались в экспериментах на Земле. Но кажется, Вселенная куда более пустое место {9} 9 Точное значение критической плотности и, кстати, некоторых других плотностей, упомянутых здесь, зависит от текущего масштаба Вселенной – это то, что известно с точностью всего 10–20 % из-за проблем определения так называемой постоянной Хаббла. Эти проблемы сами по себе могут составить содержание целой книги. Тем не менее я должен упомянуть, из уважения к специалистам, что числа в этой книге соответствуют постоянной Хаббла, составляющей (в обычных единицах) 65 км/с на мегапарсек. .

Предположим, что наше Солнце размером с апельсин. Тогда Земля будет зернышком в 1 мм, расположенным на расстоянии 20 м от апельсина, обращаясь вокруг него. Если придерживаться этого масштаба, то ближайшая звезда будет находиться на расстоянии 10 000 км. Именно так располагается материя в таких галактиках, как наша. Если бы все звезды из всех галактик были равномерно распределены в межгалактическом пространстве, то каждая из них находилась бы в несколько сотен раз дальше от своего ближайшего соседа, чем в действительности. В таком случае в нашей модели каждый апельсин будет находиться в миллионах километров от своего ближайшего соседа.

Если распылить все звезды, а их атомы равномерно распределить по Вселенной, то дело кончится тем, что на 10 м 3будет приходиться всего один атом. Примерно столько же вещества (не больше) содержит газ, рассеянный между галактиками. В целом выходит 0,2 атома на 1 м 3, что в 25 раз меньше критического значения плотности 5 атомов на 1 м 3, которое нужно для того, чтобы притяжение развернуло космическое расширение вспять.

Отношение фактической плотности к критической – очень важное число. Специалисты по космологии обозначают его греческой буквой Ω. Судьба Вселенной зависит от того, достигает ли число Ω единицы. На первый взгляд наша оценка реальной средней концентрации атомов в космосе предполагает, что Ω равна всего лишь 1/25 (или 0,04), обещая вечное расширение до огромных пределов. Но мы не должны слишком легкомысленно относиться к этому заключению. В конце XX в. мы пришли к пониманию, что во Вселенной есть много того, чего мы не видим, например невидимая материя, состоящая в основном из так называемого «темного вещества» неизвестной природы. То, что светится, – галактики, звезды и сияющие облака газа – это лишь малая и достаточно нетипичная часть того, что есть на самом деле, подобно тому как самыми заметными объектами на нашем земном небе являются облака, которые на самом деле всего лишь пар, клубящийся в куда более плотном прозрачном воздухе. Большинство материи во Вселенной – основной источник числа Ω – не излучает ни света, ни инфракрасных лучей, ни радиоволн, ни каких-либо других видов излучения. Поэтому ее очень трудно обнаружить.

Собранные с начала разработки этой темы доказательства существования темной материи теперь уже являются практически неоспоримыми. По тому, как движутся звезды и галактики, можно предположить, что что-то невидимое оказывает на них гравитационное воздействие. Это аргумент того же типа, какой мы приводим, предполагая существование черной дыры, когда видим звезду, которая выглядит так, словно обращается вокруг невидимого компаньона. Такую же аргументацию использовали в XIX в., когда планета Нептун была обнаружена из-за того, что орбита Урана искажалась под воздействием притяжения более отдаленного невидимого объекта.

В Солнечной системе существует равновесие между тяготением, которое заставляет планеты падать на Солнце, и центробежной силой орбитального движения. Подобным же образом в более крупном масштабе всей Галактики существует равновесие между тяготением, которое держит все вместе, и разрушительным эффектом движения, который, если бы не действовало тяготение, разбросал бы звезды в стороны. О существовании темной материи можно судить, потому что наблюдаемое нами движение оказывается удивительно быстрым – слишком быстрым, чтобы быть уравновешенным притяжением видимых звезд и газа.

Мы знаем, насколько быстро Солнце обращается вокруг центра Галактики. Мы можем рассчитать скорость звезд и газовых облаков в других галактиках. Эти скорости, особенно скорости «отщепенцев», вращающихся вдали от центра Галактики, дальше большинства других звезд, подозрительно высоки. Если бы внешний газ и звезды испытывали на себе только силу притяжения того, что мы видим, они бы уже покинули свои орбиты, как Нептун и Плутон покинули бы сферу влияния Солнца, если бы двигались так быстро, как Земля. Такие высокие наблюдаемые скорости говорят нам о том, что галактики окружает тяжелое невидимое гало: подобно тому как если бы Плутон двигался так же быстро, как Земля (но при этом оставался на своей орбите), нам бы пришлось предположить существование тяжелой невидимой оболочки, располагающейся вне орбиты Земли, но внутри орбиты Плутона.