Текст книги "Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики"

Что однажды взлетело…

С тех пор, как мы выяснили, что (1) Вселенная началась с Большого взрыва и (2) в настоящее время она расширяется, нас интересует вопрос, может ли этот процесс обратиться вспять и закончиться катастрофическим Большим сжатием. Исходя из некоторых очень простых и разумных предположений, мы можем выделить всего три варианта развития событий для расширяющейся Вселенной, и все они являются прямыми аналогами того, что может случиться с мячом, подброшенным в воздух.

Представьте, что вы выходите на улицу на планете Земля и подбрасываете бейсбольный мяч прямо вверх. У вас нечеловечески сильная рука, а сопротивление воздуха не имеет значения. Что произойдет?

В обычном случае в течение некоторого времени мяч поднимается вверх, повинуясь заданному вами первичному импульсу, однако, покинув вашу руку, он сразу начинает замедляться под воздействием силы земного притяжения[31]31
  Технически мяч и Земля притягивают друг друга, поскольку гравитация действует в обе стороны, однако воздействие, которое оказывает на Землю гравитационное поле мяча, не то чтобы сильное.


[Закрыть]. В конце концов, он остановится и начнет двигаться к вам и планете, на которой вы стоите. Но если бы вам удалось бросить мяч невероятно быстро – со скоростью 11,2 км/с (вторая космическая скорость или скорость убегания), вы могли бы придать мячу достаточный импульс для того, чтобы он покинул Землю и остановился лишь в бесконечно далеком будущем после длительного постепенного замедления (или при столкновении с каким-либо объектом). Если бы вы бросили мяч еще быстрее, он мог бы двигаться вечно, не испытывая никакого гравитационного воздействия со стороны Земли.

Физика расширяющейся Вселенной основана на очень похожих принципах. Есть первоначальный импульс (Большой взрыв), который запустил процесс расширения, и с этого момента гравитация всех объектов во Вселенной (галактик, звезд, черных дыр и т. д.) работает против этого расширения, пытаясь замедлить его и снова собрать все воедино. Гравитация представляет собой очень слабую силу – самую слабую из всех сил природы, однако она действует на любом расстоянии, поэтому даже отдаленные галактики должны притягиваться друг к другу. Как и в примере с бейсбольным мячом, вопрос сводится к тому, был ли первоначальный импульс достаточно сильным, чтобы преодолеть всю эту гравитацию. Нам даже не нужно знать, каким именно был этот импульс; если мы измерим текущую скорость расширения, а также количество вещества во Вселенной, мы выясним, достаточно ли гравитации для остановки процесса расширения. Кроме того, если мы выясним скорость расширения в далеком прошлом, то сможем понять, как развивается этот процесс с течением времени, сравнив полученное значение с текущей скоростью расширения[32]32
  Возможно, вы спросите, нельзя ли просто измерить скорость расширения сейчас и через десять лет, и посмотреть, как она изменилась за это время. К сожалению, текущий уровень технологий не позволяет проводить столь точные измерения, однако в ближайшие десятилетия мы, вероятно, сможем провести такое сравнение.


[Закрыть].

Если бы наша Вселенная была обречена на Большое сжатие, то намек на это мы могли бы обнаружить с помощью именно такой экстраполяции. Еще до начала самого процесса мы заметили бы, что в прошлом расширение происходило быстрее и с тех пор замедлилось. Со временем мы выявляли бы все более красноречивые признаки надвигающегося коллапса – еще за много миллиардов лет до его официального начала.

Однако, прежде чем приступить к анализу данных, давайте остановимся и поговорим о том, как может выглядеть переход на стадию сжатия Вселенной и дальнейший апокалипсис. В конце концов, именно для этого вы и взяли в руки данную книгу.

В настоящий момент чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он удаляется и, следовательно, тем больше его красное смещение (закон Хаббла – Леметра). В обреченной на сжатие Вселенной эта закономерность будет сохраняться вплоть до полного прекращения процесса расширения. Однако поскольку конечная скорость света не позволяет нам видеть всю Вселенную одновременно, отдаленные объекты, которые уже начали двигаться в обратную сторону, еще долго будут казаться нам удаляющимися. Несмотря на то что в некотором глобальном смысле самые отдаленные объекты несутся к нам быстрее, чем близлежащие, поначалу мы будем наблюдать противоположное явление. Нам станет казаться, что галактики, находящиеся в близлежащем участке космоса, медленно движутся в нашу сторону. Как и в случае с галактикой Андромеды, их спектр будет иметь синее смещение. Объекты, расположенные за ними, покажутся неподвижными, в то время как более отдаленные объекты будут иметь красное смещение и выглядеть удаляющимися от нас. Со временем скорость приближения соседних галактик увеличится, как и радиус области, содержащей объекты, кажущиеся нам неподвижными. Вскоре мы перестанем беспокоиться о том, что происходит с удаленными объектами, поскольку стремительное вторжение соседних галактик в нашу область космоса будет невозможно или, по крайней мере, крайне нежелательно, игнорировать.

Слегка успокаивает тот факт, что к тому моменту мы уже получим некоторый опыт переживания подобных событий: согласно этому сценарию, первые признаки предстоящего коллапса появятся спустя довольно много времени после нашего столкновения с Андромедой. Даже по самым пессимистичным оценкам, до начала процесса Большого сжатия может пройти много миллиардов лет, – наша Вселенная существует уже на протяжении 13,8 миллиарда лет, и с точки зрения вероятности будущего коллапса она едва ли достигла среднего возраста.

Как мы уже говорили, столкновение Млечного Пути с галактикой Андромеды вряд ли напрямую затронет Солнечную систему. Однако вселенский коллапс – это совсем другая история. Поначалу он может выглядеть похожим образом: галактики сталкиваются и сливаются, загораются новые звезды, возникают черные дыры, некоторые звездные системы вылетают в далекий космос. Однако со временем будет появляться все больше зловещих признаков того, что вокруг творится нечто совсем иное.

По мере учащения случаев сближения и слияния галактики станут взрываться синим светом новых звезд, а гигантские струи частиц и радиации – пронзать межгалактические облака газа. Наряду с этими новыми звездами могут возникнуть новые планеты, и на некоторых из них, возможно, успеет развиться жизнь, которая, тем не менее, скорее всего, будет уничтожена одним из взрывов сверхновой, все чаще происходящих в этой хаотической, коллапсирующей Вселенной. Гравитационные взаимодействия между галактиками и находящимися в их центрах сверхмассивными черными дырами будут становиться все более яростными, из-за чего звезды начнут выбрасываться из них и в итоге попадать под действие гравитации других галактик. Но даже на этом этапе столкновения отдельных звезд по-прежнему будут случаться относительно редко, и так продолжится вплоть до самого конца игры. Гибель звезд произойдет по-другому, гарантируя уничтожение любой жизни, которая на тот момент все еще будет существовать на планетах.

Вот как это случится.

Расширение Вселенной в том виде, в каком оно происходит сегодня, растягивает не только световые волны от далеких галактик. Оно также растягивает и разбавляет послесвечение самого Большого взрыва. Одним из самых убедительных доказательств теории Большого взрыва, о котором говорилось в предыдущей главе, является тот факт, что мы можем увидеть его, просто заглянув достаточно далеко. При этом мы видим идущее со всех сторон тусклое свечение, оставшееся с младенчества Вселенной. Глядя на это свечение, мы, по сути, смотрим непосредственно на те части Вселенной, которые находятся так далеко, что, с нашей точки зрения, они по-прежнему охвачены огнем, то есть находятся на ранней стадии существования Вселенной, когда каждая часть космоса была заполнена горячей, плотной и непрозрачной плазмой, как внутри звезды. Свет от этого давно потухшего пламени шел к нам из достаточно отдаленных мест все это время и достиг нас только сейчас.

Причина, по которой мы воспринимаем реликтовое излучение как рассеянное низкоэнергетическое свечение, заключается в том, что из-за расширения Вселенной отдельные фотоны растянулись до такой степени, что превратились в слабые помехи. А тот факт, что они проявляются в виде микроволн, обусловлен чрезмерным красным смещением. Расширение Вселенной способно на многое, в том числе на превращение адского пекла в слабый микроволновый фон, проявляющийся в виде небольших помех на экране старомодного аналогового телевизора.

Если процесс расширения Вселенной повернется вспять, то же самое произойдет и с распространением радиации. Внезапно космический микроволновый фон, это безобидное низкоэнергетическое свечение, приобретет синее смещение, и его энергия и интенсивность начнут быстро возрастать, приближаясь к весьма некомфортным значениям.

Но и это еще не приведет к гибели звезд.

Помимо концентрирования послесвечения охваченного огнем пространства существует нечто, способное породить гораздо более высокоэнергетическое излучение. На протяжении всего существования Вселенной гравитация превращала первичную и довольно однородную смесь газа и плазмы в звезды и черные дыры[33]33
  А также другие незначительные объекты, вроде планет и людей, которыми в ходе нашего обсуждения вполне можно пренебречь.


[Закрыть]. Эти звезды сияли в течение миллиардов лет, наполняя пустоту своим излучением, которое рассеивалось, но никуда не исчезало. Черные дыры тоже делают свой вклад, испуская рентгеновские лучи, когда падающее в них вещество нагревается и порождает высокоэнергетические струи частиц. Излучение, испускаемое звездами и черными дырами, даже горячее, чем то, которое было характерно для заключительных этапов Большого взрыва, и в процессе сжатия Вселенной вся эта энергия тоже будет сгущаться. Таким образом, коллапс Вселенной представляет собой не стадию симметричного процесса, включающего этап расширения и охлаждения, за которым следуют сжатие и нагрев, а нечто гораздо худшее. Если вас когда-либо спросят, где вы хотите оказаться – в произвольной точке пространства сразу после Большого взрыва или непосредственно перед Большим сжатием, выбирайте первое[34]34
  Как поется в песне легендарной группы D: Ream, «дальше будет только лучше» (things can only get better).


[Закрыть]. Совокупное излучение от звезд и струй высокоэнергетических частиц, сгущающееся и смещающееся в сторону еще более высоких энергий, станет настолько интенсивным, что начнет поджигать поверхности звезд задолго до того, как они столкнутся друг с другом. Ядерные взрывы будут раздирать звезды на части, заполняя пространство горячей плазмой.

К этому времени дела будут уже по-настоящему плохи. Ни одна планета, просуществовавшая до тех пор, не сможет пережить взрыв самих звезд. С этого момента интенсивность излучения во Вселенной начнет приближаться к уровню, сопоставимому с тем, который характерен для центральных областей активных ядер галактик, где находятся сверхмассивные черные дыры, выбрасывающие струи высокоэнергетических частиц и гамма-излучения с такой силой, что их длина достигает тысяч световых лет. Что происходит с материей в такой среде после того, как она распадается на составляющие ее частицы, неизвестно. Коллапсирующая Вселенная на последних стадиях сжатия достигнет значений плотности и температуры, которые значительно превышают те, что мы можем воспроизвести в лаборатории или описать с помощью известных нам теорий частиц. На данном этапе главный вопрос будет заключаться не в том, выживет ли что-нибудь, поскольку к этому моменту очевидным ответом будет однозначное «нет», а в том, сможет ли коллапсирующая Вселенная породить новую?

Идея циклической Вселенной, в которой бесконечно чередуются этапы расширения и сжатия, обладает определенной привлекательностью. (И мы рассмотрим ее более подробно в главе 7.) Вместо того чтобы начинаться с нуля и заканчиваться катастрофой, циклическая Вселенная в принципе может существовать сколь угодно долго, обеспечивая бесконечную переработку материи и не допуская никаких потерь.

Разумеется, в реальности, как обычно, все значительно сложнее. Исходя из теории гравитации Эйнштейна, общей теории относительности, любая Вселенная, содержащая достаточное количество вещества, имеет заданную траекторию. Она начинается с сингулярности (бесконечно плотного состояния пространства-времени) и заканчивается сингулярностью. Однако общая теория относительности не предусматривает механизма перехода от конечной сингулярности к начальной. И есть основания полагать, что ни одна из наших физических теорий не позволяет описать условия, для которых была бы характерна такая плотность. Мы довольно хорошо понимаем, как гравитация работает в больших масштабах и для относительно слабых гравитационных полей, однако мы не знаем, как она ведет себя в чрезвычайно малых масштабах. И показатели напряженности поля, с которыми нам предстоит иметь дело, когда вся наблюдаемая Вселенная сожмется в субатомную точку, абсолютно невычисляемы. Мы можем предположить, что в данной конкретной ситуации как-то проявит себя квантовая механика, но, честно говоря, мы не знаем, как именно.

Другая проблема модели циклической Вселенной связана с вопросом, может ли что-либо выжить при переходе из одного цикла в другой. Упомянутая мной ранее асимметрия между расширяющейся молодой и коллапсирующей старой Вселенной в плане поля излучения является весьма проблематичной, поскольку подразумевает, что с каждым циклом Вселенная становится все более беспорядочной (в физическом смысле). Поэтому циклическая Вселенная гораздо менее привлекательна с точки зрения некоторых очень важных физических принципов, обсуждаемых в следующих главах, и она, безусловно, намного сложнее вписывается в аккуратную схему бесконечной переработки.

Очарование невидимого

Так или иначе, Вселенная, содержащая слишком большое количество материи при недостаточном расширении, обречена на сжатие, поэтому определение нашего места на этой шкале кажется совсем не лишним. К сожалению, измерение количества вещества во Вселенной осложняется тем фактом, что далеко не все объекты можно рассмотреть, а определение веса галактики по одному лишь ее изображению – отнюдь не легкая задача. Уже в 1930-х годах стало ясно, что при простом подсчете количества галактик и звезд мы упускаем что-то очень важное. Астроном Фриц Цвикки изучил движение галактик в скоплениях и заметил, что они движутся слишком быстро и по всем законам должны были бы вылететь в пустое пространство, подобно пассажирам слишком быстро вращающейся карусели. Он предположил, что вместе их удерживает некая невидимая «темная материя». Эта идея существовала в астрономическом сообществе в виде гипотезы до тех пор, пока в 1970-х годах Вера Рубин раз и навсегда не продемонстрировала, что существование множества спиральных галактик невозможно объяснить без учета какого-то дополнительного невидимого вещества.

С тех пор было получено много доказательств существования темной материи, отчасти благодаря пониманию ее роли в ранней Вселенной, однако ее пока так и не удалось обнаружить: она, по-видимому, не заинтересована во взаимодействии с нашими детекторами частиц. Считается, что темная материя представляет собой неизвестную пока фундаментальную частицу, которая обладает массой (а следовательно, оказывает гравитационное воздействие), но не имеет ничего общего с электромагнетизмом или сильным ядерным взаимодействием. Согласно теории, она могла бы взаимодействовать с другими частицами посредством слабого ядерного взаимодействия, что обеспечило бы некоторые возможности для ее обнаружения, однако мы до сих пор не сталкивались с подобным сигналом. С чем мы сталкивались, так это с огромным количеством свидетельств ее гравитационного воздействия на звезды и галактики, а также принципиальной способности звезд и галактик формироваться в первичном бульоне. Кроме того, мы можем обнаружить доказательства существования темной материи в структуре самого пространства.

Одна из многих блестящих идей Эйнштейна заключалась в том, что гравитацию лучше всего понимать не как силу, действующую на объекты, а как искривление пространства вблизи объектов, обладающих массой. Представьте, что вы катаете теннисный мяч по поверхности батута. Теперь поместите в центр шар для боулинга. То, как изменяется траектория теннисного мяча возле шара для боулинга, очень похоже на то, как ведут себя космические объекты вблизи больших масс. Структура самого пространства изгибает траекторию объекта. Однако искривление пространства влияет не только на движение массивных объектов, – даже свет реагирует на структуру пространства, сквозь которое он путешествует. Подобно тому, как изогнутый оптоволоконный кабель позволяет свету поворачивать за угол, массивный объект может искривить пространство и изогнуть луч света. Из-за этого галактики и их скопления превращаются в искажающие линзы для объектов, находящихся позади них. Некоторые из наиболее убедительных доказательств существования темной материи были получены в результате выяснения того факта, что силу эффекта «гравитационного линзирования» нельзя объяснить только массой видимого нами вещества, то есть отчасти он обусловлен массой чего-то невидимого. Судя по всему, в космосе содержится очень много темной материи. Первые попытки определить вес материи во Вселенной, принимая во внимание исключительно видимые объекты, дали крайне неточные результаты. Вскоре после исследований, проведенных Верой Рубин, стало ясно, что большая часть материи во Вселенной является темной.

Однако даже после должного учета темной материи было трудно понять, превышает ли плотность вещества в космосе ту критическую отметку, которая отличает сжимающуюся Вселенную от вечно расширяющейся. Определение содержимого Вселенной было лишь частью проблемы; другая ее часть заключалась в выяснении скорости расширения пространства или динамики этого процесса на протяжении существования космоса. Решить эту задачу оказалось очень непросто.

Чтобы относительно точно измерить скорость космического расширения, происходящего на протяжении значительного периода истории Вселенной, необходимо исследовать огромное количество галактик, выяснив их скорость и фактическое расстояние до них. Астрономы вычислили локальную скорость расширения с помощью закона Хаббла – Леметра еще в 1929 году (хотя точное значение коэффициента пропорциональности обсуждалось на протяжении десятилетий и до сих пор остается предметом спора). Однако для того чтобы ответить на вопрос о возможном Большом сжатии, нам нужно выяснить скорость расширения Вселенной в разные эпохи, а значит, нам придется иметь дело с огромными расстояниями. Вычислить скорость галактики нетрудно, – для этого достаточно измерить красное смещение. Но точное измерение расстояния в миллиарды световых лет представляет собой гораздо более сложную задачу.

В конце 1960-х годов астрономы пытались высчитать расстояния и скорости галактик по фотопластинкам с изображениями и, несмотря на довольно большую неопределенность, заявили о том, что наша Вселенная обречена на сжатие. Это побудило нескольких астрономов написать ряд весьма интересных статей о том, как может развиваться данный процесс. То было очень интересное время.

В конце 1990-х годов астрономы разработали более точный метод измерения скорости расширения Вселенной, объединив несколько способов вычисления космического расстояния и применив их к чрезвычайно удаленным взрывающимся звездам. Наконец, они смогли провести точные измерения и раз и навсегда определить судьбу Вселенной. То, что они обнаружили, шокировало практически всех, принесло троим ученым Нобелевскую премию и полностью подорвало наше понимание основ физики.

Выяснение того факта, что нам почти наверняка не грозит гибель в огне во время Большого сжатия, оказалось слабым утешением[35]35
  Наше нынешнее понимание не говорит о невозможности сжатия Вселенной. Если темная энергия, о которой мы поговорим в следующей главе, обладает особенно странными и неожиданными свойствами, она может обратить процесс расширения пространства вспять. Однако полученные до сих пор данные на это не указывают.


[Закрыть]. Альтернативой сжатию является вечное расширение, которое подобно бессмертию, только на первый взгляд кажется чем-то хорошим. С одной стороны, мы не обречены на гибель в космическом аду. С другой – наиболее вероятная судьба нашей Вселенной по-своему гораздо более удручающа.

Глава 4. Тепловая смерть

ВАЛЕНТАЙН: Теплота смешалась с… миром.

(Он обводит рукой комнату – воздух, космос, Вселенную.)

ТОМАСИНА: Так мы будем танцевать? Надо спешить!

Том Стоппард, «Аркадия» (пер. О. Варшавер)

Одно из моих самых ранних воспоминаний, связанных с астрономией, – это статья из журнала Discover 1995 года, в которой говорилось о «кризисе в космосе». В данных обнаружилось нечто невообразимое, – судя по ним, Вселенная была моложе существующих в ней звезд.

Все тщательные расчеты, основанные на экстраполяции текущего расширения вплоть до Большого взрыва, говорили о том, что возраст Вселенной составляет от 10 до 12 миллиардов лет, тогда как возраст самых старых звезд в соседних древних скоплениях, согласно результатам вычислений, составляет около 15 миллиардов лет. Разумеется, оценка возраста звезд не всегда позволяет получить точный результат, поэтому есть вероятность, что после сбора дополнительных данных звезды окажутся на один или два миллиарда лет моложе, чем выглядят. Однако увеличение возраста Вселенной с целью решения этой проблемы породило бы еще большую путаницу. Чтобы сделать Вселенную старше, потребовалось бы отказаться от теории космической инфляции – одного из важнейших прорывов в исследовании ранней Вселенной со времен открытия самого Большого взрыва.

Астрономам потребовалось три года, чтобы проанализировать данные, пересмотреть теории и разработать совершенно новые способы измерения, прежде чем им удалось найти решение, не «разрушающее» раннюю Вселенную. Правда, оно разрушило все остальное. Полученный ответ породил новый вид физики, вплетенный в саму ткань космоса, который полностью изменил наш взгляд на Вселенную и заставил пересмотреть ее будущее.