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

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]. 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.