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

Тот факт, что космологическая постоянная позволяет Вселенной расширяться с ускорением, не означает, что большинство специалистов считают ее введение хорошим и разумным решением[38]. С теоретической точки зрения мы не можем объяснить, почему космологическая постоянная должна иметь именно то значение, которое она имеет. Почему эта подозрительно удобная поправка для наших уравнений вообще должна существовать? И если уж без космологической постоянной не обойтись, почему бы ей не иметь большее значение? Один из наиболее естественных способов объяснения существования космологической постоянной во Вселенной связан с энергией вакуума, или пустого пространства, которая отвечает за такие странные явления, как квантовые флуктуации, то есть возникновение и исчезновение виртуальных частиц. Однако расчетная величина энергии вакуума, предсказанная квантовой теорией поля, оказалась на 120 порядков выше экспериментально измеренной. На случай, если вам не знаком этот термин, разница на порядок – это разница в 10 раз, на два порядка – в 100 раз, а на 120 порядков – в 10120 раз. Даже в астрофизике, где с числами порой обращаются довольно легкомысленно, это расхождение кажется весьма серьезным. Итак, если космологическая константа не является энергией вакуума, столь любимой физиками-теоретиками, что же это такое?

Одно из предложенных решений «проблемы космологической постоянной» основано на гипотезе о том, что данная константа невелика в нашей наблюдаемой Вселенной, но может принимать другие значения в отдаленных областях космоса, а мы лишь случайно оказались там, где оказались. (А может, и не случайно, если другие значения космологической постоянной каким-либо образом препятствуют развитию жизни и сознания, например заставляя пространство расширяться слишком быстро и предотвращая формирование галактик.) Другое возможное объяснение заключается в том, что мы имеем дело не с космологической постоянной, а с неким неизвестным пока энергетическим полем Вселенной, способным со временем меняться. И в этом случае есть вероятность, что оно превратилось в то, чем является сейчас, по какой-то другой причине.

Поскольку мы не уверены, что это действительно космологическая постоянная, мы обычно называем любое гипотетическое явление, способное ускорить расширение Вселенной, темной энергией. Еще один термин для эволюционирующей (т. е. непостоянной) темной энергии – квинтэссенция, таинственный «пятый элемент», о котором любили рассуждать философы античности и Єредневековья и который до сих пор не имеет точного определения. Преимущество гипотезы квинтэссенции заключается в том, что она способна помочь нам сформулировать теорию благодаря проведению некоторых параллелей с космической инфляцией, имевшей место в начале времен. Мы знаем, что причина, вызвавшая космическую инфляцию, в итоге исчезла, поэтому вполне вероятно, что в какой-то момент могло возникнуть поле, вызывающее ускоренное расширение пространства, которое мы наблюдаем сегодня.

(Один из недостатков гипотезы квинтэссенции состоит в том, что изменяющаяся со временем темная энергия теоретически способна уничтожить Вселенную. Например, если сила, которая в данный момент обусловливает ускорение процесса расширения, начнет действовать в противоположном направлении, Вселенная может коллапсировать, что возвращает нас к Большому сжатию. К счастью, это выглядит маловероятным, хотя мы и не можем полностью исключить такую возможность.)

В любом случае, судя по результатам текущих наблюдений, темная энергия действительно очень похожа на космологическую постоянную – неизменное свойство пространства-времени, которое лишь недавно (т. е. в последние несколько миллиардов лет) приобрело доминирующее значение в процессе эволюции Вселенной. На ранних этапах, когда космос был более компактным, в нем просто недоставало пространства для того, чтобы космологическая постоянная (которая является свойством пустого пространства) могла на что-то повлиять, поэтому тогда процесс расширения замедлялся, как и следовало ожидать. Но примерно пять миллиардов лет назад вследствие обычного космического расширения материя рассеялась настолько, что эффект растяжения пространства, обусловленный космологической постоянной, начал становиться более заметным. В настоящее время мы можем измерить движение удаленных сверхновых, взрыв которых произошел до того, как процесс расширения начал ускоряться. Это означает, что мы можем выяснить, когда Вселенная замедлялась, а также довольно точно определить момент ее перехода на стадию ускорения. Темная энергия вполне может оказаться каким-то неизвестным динамичным полем, но пока концепция космологической постоянной идеально вписывается в результаты наблюдений.

Однако ирония в том, что в долгосрочной перспективе константа, добавленная Эйнштейном для спасения Вселенной, скорее всего, приведет к ее гибели.

Бесконечная космическая беговая дорожка

Апокалипсис, обусловленный космологической постоянной, представляет собой медленный и мучительный процесс, сопровождающийся усугубляющейся изоляцией, неумолимым распадом и растянутым на века погружением во тьму. В некотором смысле речь идет не об уничтожении Вселенной, а, скорее, об уничтожении всего, что в ней находится, и ее превращении в абсолютную пустыню.

Причина, по которой космологическая постоянная оказывается столь гибельной для Вселенной, заключается в том, что, раз начавшись, процесс ускоренного расширения пространства никогда не прекращается.

Размер современной наблюдаемой Вселенной гораздо больше, чем вы, вероятно, думаете. «Наблюдаемой» называется область, находящаяся в пределах нашего горизонта частиц. Этим термином обозначается максимальное расстояние, на которое мы можем заглянуть, учитывая конечную скорость света и возраст Вселенной. Поскольку свету требуется время, чтобы достичь наблюдателя, а более отдаленные объекты находятся в более далеком прошлом относительно нас, некоторое расстояние должно соответствовать самому началу времен. Лучу света, испущенному из точки, находящейся на таком расстоянии в момент зарождения Вселенной, потребовалось бы все время ее существования, чтобы добраться до нас. Это и есть горизонт частиц – предельное расстояние, дальше которого мы принципиально неспособны заглянуть. Учитывая, что возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет, логично предположить, что горизонт частиц должен представлять собой сферу радиусом 13,8 миллиардов световых лет. В случае статичной Вселенной это предположение было бы верным. На самом же деле, поскольку Вселенная все это время расширялась, точка, испустившая видимый нами свет 13,8 миллиарда лет назад, теперь находится намного дальше – на расстоянии примерно в 45 миллиарда световых лет. Таким образом, мы можем определить наблюдаемую Вселенную как окружающую нас сферу радиусом около 45 миллиардов световых лет[39].