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

Каждый из этих возможных типов Вселенных имеет название и определенную геометрию. Речь в данном случае идет не о внешней форме Вселенной, вроде сферы, куба или чего-то еще, а о свойстве, определяющем поведение гигантских лазерных лучей в космическом пространстве. Вселенную, обреченную на Большое сжатие, называют «замкнутой», поскольку в ней два параллельных луча лазерной пушки в итоге сойдутся, подобно линиям долготы на глобусе. Дело в том, что замкнутая Вселенная содержит в себе так много материи, что все пространство искривлено внутрь. Идеально сбалансированная Вселенная является «плоской», потому что в ней лучи всегда будут оставаться параллельными, подобно параллельным линиям на плоском листе бумаги. Вселенная, в которой расширение преобладает над гравитацией, называется «открытой», и в ней, как вы, вероятно, уже догадались, два лазерных луча со временем будут расходиться. Двумерным аналогом в данном случае является поверхность седла: попробуйте нарисовать параллельные линии на седле (если седла под рукой нет, можете использовать чипсы Pringles), и вы увидите, что они расходятся. Эти формы определяют «крупномасштабную кривизну» Вселенной – степень искривления всего пространства, обусловленного содержащейся в нем материей и энергией.

Объединяет все эти варианты, во-первых, то, что они имеют смысл с точки зрения физики и хорошо работают с эйнштейновскими уравнениями гравитационного поля. Во-вторых, все они предполагают замедление процесса расширения. Во времена проведения измерений с использованием сверхновых не существовало никакого разумного физического механизма, объясняющего ускорение процесса расширения Вселенной. Это было столь же странно, как если бы мяч, подброшенный в воздух, немного замедлился, а затем внезапно рванул в космос без всякой причины. А теперь представьте такое же чудо, только в масштабе всей Вселенной.

Результаты измерений были многократно перепроверены, однако всякий раз физики приходили к одному и тому же выводу: процесс расширения пространства ускоряется.

Это были отчаянные времена, которые требовали принятия отчаянных мер. Настолько отчаянных, что астрономам пришлось допустить существование обширного космического энергетического поля, наделяющего пустое пространство силой отталкивания, действующей во всех направлениях. Это не обнаруженное ранее свойство пространства-времени, заставляющее Вселенную вечно расширяться, черпая силу из неистощимого источника энергии, связано с так называемой космологической постоянной.

Не такое уж пустое пространство

В отличие от других эпизодов монументального пересмотра основ физики, в данном случае речь шла далеко не о новой идее. Космологическая постоянная была детищем Эйнштейна[37] и прекрасно вписывалась в его уравнения гравитационного поля, определяющие эволюцию Вселенной. Однако в ее основе лежала глубоко ошибочная предпосылка, поэтому ее вообще не стоило вводить.

Эйнштейн был очень отзывчивым человеком. Он ввел космологическую постоянную, чтобы спасти Вселенную от возможного катастрофического коллапса. Точнее, от того коллапса, который уже давно должен был произойти. Как эксперт во всем, что касается гравитации, Эйнштейн знал, что, судя по имеющимся данным, сила тяготения уже давно должна была разрушить Вселенную. Это было в 1917 году, за полвека до официального признания теории Большого взрыва, когда космос все еще считался статичным и неизменным. Звезды могли жить и умирать, материя – слегка переупорядочиваться, но пространство в то время считалось лишь фоном для происходящих в нем событий. Поэтому, когда Эйнштейн увидел на ночном небе кажущиеся неподвижными звезды, он понял, что Вселенная в опасности. Он полагал, что каждая звезда должна притягивать все остальные, из-за чего все они должны медленно сближаться. Огромные пространства между звездами в данном случае не имеют значения, поскольку сила тяжести действует на любом расстоянии. (В то время никто еще не знал о существовании других галактик, в противном случае он применил бы этот аргумент и к ним. Проблема бы при этом не исчезла.) В неизменной Вселенной вы никогда не сможете удалиться от объекта на достаточно большое расстояние, чтобы на том или ином уровне не испытывать его гравитационное воздействие, которое со временем должно сблизить вас. Расчеты Эйнштейна говорили о том, что любая вселенная, наполненная массивными объектами, уже давно должна была коллапсировать. Само существование космоса представлялось неким противоречием.

Это, разумеется, выглядело не очень хорошо. К счастью, Эйнштейн нашел в своей общей теории относительности место для небольшой, но спасительной для Вселенной, корректировки. Ничто в космосе не может противостоять гравитации звезд, за исключением разве что самого пространства. Эйнштейн уже вывел красивое уравнение для описания того, как структура пространства реагирует на гравитационное воздействие всего вещества в космосе.

Чтобы уберечь пространство от мгновенного коллапса, вызванного гравитацией, ему было достаточно признать свои уравнения неполными и добавить член, который мог бы объяснить растяжение пространства между гравитирующими объектами, компенсирующее обусловленное гравитацией сжатие. Этот член представлял собой не новый компонент Вселенной, а свойство самого пространства, каждой точке которого присуща некая сила отталкивания. Когда пространства много, а материи мало (как в промежутках между звездами или галактиками), эта сила отталкивания может компенсировать гравитационное притяжение.

Уравнение сработало. Оно хорошо описывало статичную Вселенную, в которой существование других звезд и галактик не приводит к мгновенному коллапсу пространства. Эйнштейн снова это сделал.

Единственная проблема заключается в том, что Вселенная не статична. Это стало очевидным для астрономического сообщества несколько лет спустя, когда выяснилось, что бледные пятна на небе, ранее называвшиеся «спиральными туманностями», на самом деле представляют собой другие галактики. Вскоре на основании красного смещения этих галактик Хаббл доказал, что Вселенная расширяется. В отличие от обреченной статичной Вселенной, на которую действует только гравитация, расширяющаяся Вселенная может быть спасена, – по крайней мере, на время, – своим собственным расширением. Гравитация может замедлить этот процесс и в итоге повернуть его вспять, однако Вселенная способна прекрасно существовать на протяжении многих миллиардов лет благодаря первоначальному импульсу и сохраняющимся последствиям ее расширения. (Как началось это расширение – совсем другая история. Для решения стоящей перед нами проблемы достаточно того, чтобы Вселенная не была обречена на практически мгновенное уничтожение, и позаботиться об этом может космологическая константа или расширение пространства.)

Новость о том, что Вселенная расширяется, потребовала переосмысления всей космологии и поставила Эйнштейна в затруднительное положение. Он с неохотой удалил космологическую постоянную из своих уравнений и начал предпринимать попытки революционизировать какую-нибудь другую область фундаментальной физики. И так продолжалось вплоть до в 1998 года, когда результаты наблюдения сверхновых снова внесли путаницу в представления об эволюции Вселенной. Ускоряющееся расширение пространства потребовало повторного введения космологической постоянной, и слабым утешением остается лишь то, что тогда Эйнштейн уже не мог укорить всех фразой: «Я же говорил».