Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Вопрос о том, чем все закончится, был предметом спекуляций и споров среди поэтов и философов на протяжении всей истории человечества. Разумеется, теперь, благодаря науке, мы знаем ответ: мир погибнет в огне. Определенно, в огне. Примерно через пять миллиардов лет Солнце перейдет в фазу красного гиганта, поглотит Меркурий и, возможно, Венеру, а Землю превратит в обугленную, безжизненную, покрытую магмой каменную глыбу. И, вероятно, даже этому бесплодному тлеющему остатку суждено в итоге угодить во внешние слои Солнца и распасться на атомы в бушующей атмосфере умирающей звезды.

Итак: огонь. Это уже ясно. Первое предположение Фроста было правильным.

Однако он мыслил недостаточно масштабно. Как космолог я изучаю Вселенную в целом. С этой точки зрения наш мир лишь пылинка, затерянная в обширном и разнообразном космосе. Меня как человека и профессионала гораздо больше волнует вопрос о конце самой Вселенной.

Мы знаем, что у нее было начало. Примерно 13,8 миллиарда лет назад Вселенная превратилась из точки невообразимой плотности в расширяющийся огненный шар, а затем в остывающий гудящий океан вещества и энергии, в котором образовались зачатки звезд и галактик, наблюдаемых сегодня. Формировались планеты, галактики сталкивались между собой, свет заполнял космос. На одной из таких планет, вращающихся вокруг обычной звезды на окраине спиральной галактики, возникла жизнь, появились компьютеры, политология и высокие двуногие млекопитающие, читающие книги по физике ради развлечения.

Но что дальше? Чем же закончится вся эта история? Смерть планеты и даже звезды, в принципе, можно пережить. Человечество способно просуществовать еще миллиарды лет, возможно, в иной форме, найдя для себя пристанище в удаленном уголке космоса и создав новую цивилизацию. Однако смерть Вселенной является абсолютным концом. Что же это означает для нас и для всего остального?

Конец времен

Несмотря на существование некоторых классических (и очень занимательных) статей в научной литературе, впервые с термином «эсхатология» я столкнулась, читая о религии.

Эсхатология, или учение о конце мира, позволяет многим мировым религиям контекстуализировать богословские идеи и донести до людей их смысл. Несмотря на все теологические различия между христианством, иудаизмом и исламом, эти религии разделяют общее видение конца времен, предполагающее полное преобразование мира, победу добра над злом и вознаграждение угодных Богу людей[1]. Вероятно, обещание последнего суда как-то компенсирует тот печальный факт, что для наделения существования смыслом и облегчения жизни праведников мы не можем полагаться на наш несовершенный и несправедливый физический мир. Подобно роману, который может быть оправдан или перечеркнут заключительной главой, многие религиозные философии, похоже, нуждаются в идее «справедливого» конца мира для придания смысла его существованию.

Разумеется, не все версии эсхатологии предполагают искупление, и не все религии предсказывают конец времен. Несмотря на ажиотаж по поводу декабря 2012 года, народы майя придерживались цикличного взгляда на Вселенную, свойственного индуистской традиции и не предусматривающего какого-либо определенного «конца». Циклы, о которых говорится в подобных традициях, предполагают не обычное повторение, а возможность улучшения. Согласно этому взгляду, вся несправедливость и страдания в современном мире могут привести к улучшению мира грядущего. С другой стороны, светские взгляды на конец времен варьируются от нигилистской точки зрения, согласно которой смысла нет ни в чем (и в конечном счете все обратится в ничто), до опрометчивого предположения о вечном возвращении, когда все, что однажды происходило, повторяется на протяжении вечности[2]. На самом деле обе эти, казалось бы, противоположные теории обычно приписываются Фридриху Ницше, который, провозгласив смерть любого Бога, способного привнести во Вселенную порядок и наделить ее существование смыслом, был вынужден иметь дело с жизнью в космосе, не предполагавшей окончательного искупления.

Разумеется, Ницше был далеко не единственным человеком, размышлявшим над смыслом существования. Каждый человек, начиная от Аристотеля, Лао-Цзы и Симоны де Бовуар и заканчивая капитаном Кирком и Баффи, истребительницей вампиров, задавался вопросом о том, что все это значит. И на момент написания данной книги мы по-прежнему очень далеки от консенсуса.

Независимо от того, каких религиозных или философских взглядов мы придерживаемся, было бы трудно отрицать, что знание судьбы нашего космоса может повлиять на то, что мы думаем о нашем существовании, и даже на наш образ жизни. Если мы хотим осмыслить свое существование, то в первую очередь нам следует задаться вопросом о том, как все это закончится. Если мы найдем на него ответ, то неминуемо возникнет вопрос, что это значит для нас сейчас. Нужно ли нам по-прежнему регулярно выбрасывать мусор, если Вселенная так или иначе обречена?

Я и сама потратила некоторое время на изучение теологических и философских текстов, и хотя в ходе этих исследований я узнала много интересных вещей, смысл существования, к сожалению, не был одной из них. Возможно, я просто отношусь к иному типу людей. На протяжении всей моей жизни меня больше всего занимали вопросы, на которые можно ответить с помощью научных наблюдений, математики и физических доказательств. Какой бы привлекательной мне ни казалась идея, что история всего мира и смысл жизни могут быть описаны в книге в форме вечной истины, я знала, что по-настоящему смогу принять лишь ту истину, которую можно доказать математически.

Взгляд вверх

За тысячелетия, прошедшие с того момента, как человек впервые задумался о своей смертности, философская точка зрения по этому поводу не изменилась, чего нельзя сказать об инструментах, которые мы используем, чтобы ответить на такой вопрос. Сегодня вопрос о будущем и конечной судьбе всей реальности является абсолютно научным, а задача нахождения ответа на него кажется вполне реализуемой. Однако так было не всегда. Во времена Роберта Фроста среди астрономов все еще бушевали споры о том, может ли Вселенная находиться в устойчивом состоянии, не меняясь на протяжении вечности. Идея о том, что наш космический дом является стабильным, гостеприимным и безопасным местом, в котором можно спокойно состариться, казалась очень привлекательной. Однако она была опровергнута открытием Большого взрыва и расширения Вселенной. Наша Вселенная меняется, и мы еще только начинаем разрабатывать теории и способы наблюдения, которые помогут понять, как именно. Открытия последних нескольких лет и даже месяцев наконец позволяют нам получить представление о далеком будущем космоса.

Именно этим представлением я и хочу поделиться с вами. Лучшие из имеющихся у нас измерений согласуются с несколькими апокалиптическими сценариями, часть которых может быть подтверждена или исключена в результате наблюдений, проводимых прямо сейчас. Изучение этих возможностей позволяет нам получить представление о работе на передовом крае науки и увидеть человечество в новом контексте. В том, который, на мой взгляд, может доставить некоторую радость даже перед лицом полного уничтожения. Мы принадлежим к тому виду, который балансирует между осознанием своей ничтожности и способностью выйти далеко за пределы обыденной жизни, заглянуть в пустоту и разгадать фундаментальные тайны космоса.

Перефразируя Толстого, все счастливые Вселенные счастливы одинаково; каждая несчастливая Вселенная несчастлива по-своему. В этой книге я описываю, как небольшие изменения в нашем текущем, неполном понимании космоса могут привести к совершенно разным прогнозам на будущее, начиная от Вселенной, которая коллапсирует внутрь себя или разрывается на части, и заканчивая той, что медленно умирает, превратившись в непрерывно расширяющийся пузырь. Исследуя эволюцию нашего понимания Вселенной и разбираясь с тем, что это значит для нас, мы познакомимся с некоторыми важнейшими физическими концепциями и увидим, как они связаны не только с возможными вариантами космического апокалипсиса, но и с нашей повседневной жизнью.

Прогнозирование судьбы космоса

Для некоторых из нас размышление на тему космического апокалипсиса уже является повседневным делом.

Я хорошо помню момент, когда узнала о том, что Вселенная может исчезнуть в любую секунду. Я сидела на полу в гостиной профессора Финни среди своих сокурсников во время нашего еженедельного чаепития. Расположившись в кресле и держа на коленях свою трехлетнюю дочь, профессор объяснил, что внезапное расширение пространства ранней Вселенной, или космическая инфляция, представляет собой настолько загадочное явление, что мы не понимаем, почему оно началось и почему закончилось, а также не можем утверждать, что оно никогда больше не повторится. Не было никаких гарантий, что стремительное и смертоносное расширение пространства не начнется прямо в тот момент, когда мы пили чай с печеньем в гостиной профессора.

Это меня ошеломило. Я почувствовала, что уже не уверена в твердости пола подо мной. В моей памяти навсегда запечатлелся образ маленького ребенка, беспокойно ерзающего во внезапно ставшем нестабильным космосе. Но профессор только слегка усмехнулся и переключился на обсуждение другой темы.

Теперь я уже признанный ученый и понимаю ту усмешку профессора. Размышление над такими мощными и неудержимыми, но математически описываемыми процессами может вызвать болезненный интерес. Возможное будущее нашего космоса было определено и рассчитано с учетом вероятности на основании лучших из доступных нам данных. Мы не знаем наверняка, может ли в следующую секунду начаться новая космическая инфляция, но на случай, если это все-таки произойдет, у нас есть готовые уравнения. В некотором роде эта мысль хорошо успокаивает: даже если у нас, слабых и беспомощных людей, нет шансов повлиять на конец Вселенной, мы, по крайней мере, можем приблизиться к его пониманию.

Многие физики со временем начинают равнодушно относиться к необъятности космоса и силам, которые слишком мощны для нашего понимания. Ученые могут свести все это к математике, скорректировать уравнения и вернуться к своим делам. Однако потрясение и головокружение от осознания хрупкости мироздания и моего собственного бессилия произвели на меня неизгладимое впечатление. В этой космической перспективе есть что-то одновременно пугающее и обнадеживающее. Это все равно что держать новорожденного младенца, ощущая тонкий баланс между хрупкостью жизни и еще не осознанным потенциалом. Говорят, что у человека, побывавшего в космосе, изменяется взгляд на мир. Это называется «эффектом обзора», когда, увидев Землю сверху, человек может в полной мере ощутить, насколько хрупок наш маленький оазис и насколько дружными нам следует быть как представителям, вероятно, единственного во Вселенной мыслящего вида.

Для меня подобным опытом стало размышление о неизбежной гибели Вселенной. В способности рассуждать о самом отдаленном будущем и в наличии инструментов, позволяющих делать это последовательно, заключается определенная интеллектуальная роскошь. Задавая вопрос, может ли все это продолжаться вечно, мы неявным образом подтверждаем собственное существование, проецируя его в отдаленное будущее, подводим итоги и изучаем свое наследие. Признание конечности Вселенной дает нам контекст, смысл, даже надежду и позволяет, как бы парадоксально это ни звучало, отвлечься от мелких повседневных забот и одновременно жить более полной жизнью в настоящем моменте. Возможно, это и есть тот смысл, который мы ищем.

Мы определенно приближаемся к ответу. Несмотря на политическую нестабильность мира, с точки зрения науки мы живем в золотом веке. Последние открытия в области физики, а также новые технологические и теоретические инструменты позволяют нам совершать прорывы, которые раньше были невозможны. Мы совершенствовали свое понимание возникновения Вселенной на протяжении десятилетий, однако вопрос о ее возможном конце начинают исследовать только сейчас. Результаты, полученные с помощью мощных телескопов и ускорителей частиц, предоставили нам удивительные (хоть и ужасающие) новые возможности и изменили наш взгляд на то, что может или не может произойти в космосе в далеком будущем. Это область, в которой наблюдается невероятный прогресс, позволяющий нам стоять на самом краю бездны и вглядываться в абсолютную тьму. Правда, лишь путем вычислений.

Космология как область физики на самом деле занимается не поиском смысла, а раскрытием фундаментальных истин. Точно измеряя структуру Вселенной, распределение материи и энергии, а также силы, управляющие ее эволюцией, мы находим подсказки, говорящие нам о глубинных законах космоса. Люди склонны ассоциировать прорывы в области физики с экспериментами в лабораториях, однако многое из того, что мы знаем о фундаментальных законах, управляющих природой, является результатом не самих экспериментов, а понимания их связи с наблюдениями за небом. Для понимания структуры атома, например, потребовалось связать результаты экспериментов в сфере радиоактивности с рисунками спектральных линий солнечного света. Согласно закону всемирного тяготения, сформулированному Ньютоном, Луна и планеты удерживаются на своих орбитах той же силой, которая заставляет блок скользить вниз по наклонной плоскости. В конечном счете это привело к появлению общей теории относительности Эйнштейна, впечатляющему пересмотру теории гравитации, обоснованность которого была подтверждена не измерениями, проведенными на Земле, а исследованием отклонения орбиты Меркурия и видимого положения звезд во время полного солнечного затмения.

Сегодня, наблюдая за небом, мы обнаруживаем, что модели физики элементарных частиц, разрабатываемые на протяжении десятилетий в ходе тщательных исследований в лучших лабораториях мира, неполны. Изучение движения и распределения других галактик – скоплений миллиардов или триллионов звезд, подобных нашему Млечному Пути, – позволило выявить основные пробелы в теориях физики элементарных частиц. Мы пока не знаем, каким будет решение этой проблемы, однако можно с уверенностью сказать, что исследование космоса сыграет свою роль в его нахождении. Объединение космологии и физики элементарных частиц уже позволило нам определить базовую структуру пространства-времени, провести инвентаризацию компонентов реальности и заглянуть в далекое прошлое, в эпоху, предшествующую возникновению звезд и галактик, чтобы проследить происхождение не просто живых существ, но самой материи.

Разумеется, этот подход работает в обе стороны. Не только современная космология способствует нашему пониманию микромира, но и теории элементарных частиц и эксперименты в этой области помогают нам постичь устройство Вселенной на макроуровне. Комбинация подходов «сверху вниз» и «снизу вверх» представляет собой самую суть физики. Несмотря на попытки поп-культуры свести науку к моментам озарения и впечатляющих концептуальных сдвигов, прорывы в понимании чаще всего происходят благодаря доведению существующих теорий до крайности и выявлению их слабых мест. Когда Ньютон скатывал шары вниз по склону холма или наблюдал за планетами в небе, он не мог предположить, что нам понадобится теория гравитации, которая также объясняла бы искривление пространства-времени вблизи Солнца или невообразимые гравитационные силы внутри черных дыр. Он никогда бы не подумал, что мы однажды заговорим об измерении влияния гравитации на отдельный нейтрон[3]. К счастью, Вселенная, будучи по-настоящему огромной, предоставляет нам множество сред с экстремальными условиями для проведения наблюдений. Более того, мы даже имеем возможность изучать раннюю Вселенную, когда весь космос представлял собой среду с экстремальными условиями.

* * *

Краткое примечание по поводу терминологии. Общепринятый научный термин «космология» относится к изучению Вселенной в целом и ее истории, включая ее компоненты, эволюцию и управляющие ею фундаментальные физические законы. В астрофизике космологом называют того, кто изучает по-настоящему удаленные от нас объекты, поскольку (1) это предполагает исследование довольно обширной части Вселенной и (2) в астрономии удаленные объекты также находятся в далеком прошлом, поскольку их свету порой требуются миллиарды лет, чтобы достичь Земли. Некоторые астрофизики изучают именно эволюцию или раннюю историю Вселенной, другие специализируются на исследовании удаленных объектов (галактик, их скоплений и т. д.) и их свойств. Как область физики космологию можно отнести, скорее, к теоретическому направлению. Например, некоторые космологи, работающие на физических факультетах (в отличие от сотрудников астрономических факультетов), изучают альтернативные формулировки моделей физики элементарных частиц, которые можно было бы применить к первой миллиардной миллиардной доли секунды существования Вселенной. Другие изучают модификации теории гравитации Эйнштейна, относящиеся к таким гипотетическим объектам, как черные дыры, которые могут существовать лишь в более высоких измерениях пространства. Третьи моделируют целые гипотетические Вселенные, полностью отличные от нашей, – Вселенные с совершенно иным устройством космоса, числом измерений и историей, чтобы понять математическую структуру теорий, которые однажды могут оказаться нам полезными[4].

В результате под термином «космология» разные люди подразумевают совершенно разные вещи. Космолог, изучающий эволюцию галактик, может совершенно растеряться в разговоре с космологом, выясняющим, как квантовая теория поля объясняет испарение черных дыр, и наоборот.

Лично мне космология нравится в любом виде. Впервые я поняла, что это стоящая наука, лет в десять благодаря книгам и лекциям Стивена Хокинга. Он говорил о черных дырах и искривлении пространства-времени, о Большом взрыве и многих других вещах, заставлявших мои мозги буквально шевелиться. Я никак не могла насытиться знаниями. Когда я узнала, что Хокинг называет себя космологом, я поняла, чем хочу заниматься. На протяжении многих лет я проводила исследования в нескольких областях физики и астрономии, изучая черные дыры, галактики, межгалактический газ, нюансы Большого взрыва, темную материю и возможность внезапного исчезновения Вселенной[5]. Я даже какое-то время баловалась экспериментальной физикой элементарных частиц, проводя юношеские годы в лаборатории ядерной физики, играясь с лазерами (что бы ни было написано в отчетах, тот пожар устроила не я) и плавая на надувной лодке по заполненному водой баку подземного детектора нейтрино (тот взрыв тоже произошел не по моей вине).

В настоящее время я занимаюсь в основном теорией, что, вероятно, лучше для всех. Это означает, что я не провожу наблюдений и экспериментов и не анализирую данные, хотя я часто делаю прогнозы относительно результатов будущих наблюдений или экспериментов. В основном я работаю в области, называемой феноменологией: она находится на границе между разработкой новых теорий и той сферой, в которой эти теории подвергаются фактической проверке. То есть я ищу новые пути объединения гипотез, выдвигаемых теоретиками относительно структуры Вселенной, с тем, что надеются обнаружить в своих данных астрономы-наблюдатели и физики-экспериментаторы. А это значит, что я должна знать кое-что обо всем[6], и это чертовски весело.

Предупреждение о спойлере

Когда я писала книгу, я смогла углубиться в вопрос о том, куда мы движемся, что все это значит и что мы можем узнать о нашей Вселенной, задавая подобные вопросы. Общепринятых ответов на них пока нет, вопрос о судьбе всего сущего остается открытым, и в этой области активно проводятся исследования, выводы которых могут резко измениться из-за небольших корректировок в интерпретации полученных данных. В этой книге мы рассмотрим пять сценариев, чаще всего обсуждаемых профессиональными космологами, и изучим лучшие из современных аргументов за и против каждого из них.

Каждый сценарий представляет собой совершенно особый вид апокалипсиса, обусловленного различными физическими процессами, однако все они сходятся в одном: конец неизбежен. Изучая современную космологическую литературу, я не обнаружила ни одного серьезного предположения о том, что Вселенная может существовать вечно без каких-либо изменений. Как минимум предполагается некий переход, который в любом случае уничтожит все, и в результате по крайней мере наблюдаемая часть космоса станет непригодной для существования какой бы то ни было организованной структуры. Учитывая вышесказанное, я буду называть это концом (приношу свои извинения читающим эти строки спонтанным квантовым флуктуациям, на время обретшим сознание)[7]. Некоторые из этих сценариев намекают на возможность обновления космоса и даже на повторение тех или иных событий, однако вопрос о сохранении какой-либо памяти о предыдущих итерациях по-прежнему остается предметом жарких споров, равно как и вопрос о принципиальной возможности избежать космического апокалипсиса. Наиболее вероятной представляется точка зрения, согласно которой конец нашего небольшого островка жизни, называемого наблюдаемой Вселенной, будет абсолютным. И в этой книге, помимо всего прочего, я расскажу вам, как именно это может произойти.

Чтобы восполнить возможные пробелы в знаниях, мы начнем с краткого обзора истории Вселенной с момента ее зарождения вплоть до сегодня. А затем мы поговорим о ее гибели. Каждая из пяти глав будет посвящена различным сценариям конца Вселенной, тому, как это может произойти, как это будет выглядеть и как изменение наших знаний о физическом устройстве реальности ведет нас от одной гипотезы к другой. Мы начнем с обсуждения так называемого Большого сжатия, впечатляющего коллапса Вселенной, который может произойти в том случае, если процесс ее расширения повернется вспять. В последующих двух главах будут описаны апокалиптические сценарии, обусловленные темной энергией. Один из них предполагает бесконечное расширение Вселенной, в ходе которого она будет становиться все более пустой и темной. В другом Вселенная буквально разрывается на части. Затем мы поговорим о распаде вакуума – спонтанном возникновении квантового пузыря смерти[8], пожирающего космос. Наконец мы зайдем на спекулятивную территорию циклической космологической модели: она допускает существование дополнительных пространственных измерений и уничтожение нашего космоса в результате столкновения с параллельной Вселенной… которое происходит снова и снова. В заключительной главе мы подведем итоги и познакомимся с последними новостями от нескольких экспертов, узнаем, какой из сценариев в настоящее время кажется наиболее правдоподобным и какие наблюдения, и эксперименты могли бы способствовать окончательному разрешению данного вопроса.

Какой смысл все это имеет для нас как для людей, живущих в необъятном и равнодушном пространстве, – уже совсем другой вопрос. В эпилоге будет представлен ряд точек зрения на возможность сохранения каких-либо следов существования сознания после нашего исчезновения[9].

Мы пока не знаем, что станет причиной уничтожения Вселенной, – огонь, лед или что-то экстраординарное. Однако бесспорным остается тот факт, что это огромное, красивое и потрясающее место, которое стоит исследовать. Пока это еще возможно.

Мне нравятся истории о путешествиях во времени. Несмотря на то что физика машины времени вызывает споры и порождает парадоксы, есть нечто очень привлекательное в идее о том, что мы можем как-то узнать и вмешаться в прошлое и будущее, чтобы сойти с поезда, состоящего из череды моментов «сейчас», неумолимо приближающего нас к какому-то неизвестному исходу. Линейное время кажется слишком ограничивающим и даже расточительным. Почему мы должны навсегда потерять все эти возможности лишь потому, что стрелка часов отсчитала несколько секунд? Может быть, мы и привыкли к хронологическому диктату, но это не значит, что он нас устраивает.

К счастью, космология способна помочь. Разумеется, не в практическом смысле, – мы по-прежнему говорим об относительно эзотерической отрасли физики, которая никоим образом не позволит вам вернуть зонт, если вы забыли его в поезде накануне. Скорее, речь идет о том, что после знакомства с ней ваша жизнь будет прежней, но все остальное изменится для вас навсегда.

Для космолога прошлое не является каким-то недостижимым, навсегда утраченным царством. Это реальное место, наблюдаемая область космоса, в которой мы проводим большую часть своего рабочего дня. Сидя за столом, мы можем наблюдать за развитием астрономических событий, которые имели место миллионы и даже миллиарды лет назад. И это не просто особенность, присущая лишь космологии, но свойство структуры Вселенной, в которой мы живем.

Это обусловлено тем фактом, что свет распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, хоть и очень высокой – примерно 300 миллионов метров в секунду. В повседневной жизни это означает, что свет от фонарика преодолевает около одной трети метра за наносекунду, и столько же времени требуется отраженному свету, чтобы достичь вас. На самом деле, когда вы смотрите на какой-то объект, изображение, которое вы видите, слегка устаревает к тому моменту, когда свет, отраженный от объекта, достигает ваших глаз. Человек, сидящий в другом углу кафе, с вашей точки зрения, находится на несколько наносекунд в прошлом, что может частично объяснить его отсутствующее выражение лица и устаревший костюм. Все, что вы видите, находится в прошлом относительно вас. Когда вы смотрите на Луну, вы заглядываете в прошлое чуть больше, чем на секунду. Солнце вы видите с задержкой более чем в восемь минут. А созерцая звезды в ночном небе, вы заглядываете в глубокое прошлое, от которого вас отделяет от нескольких лет до тысячелетий.

Благодаря этой задержке, обусловленной конечной скоростью распространения света, астрономы могут смотреть в небо и наблюдать за эволюцией Вселенной от самого ее начала вплоть до сегодня. В астрономии мы используем такую единицу измерения, как «световой год», не только потому, что она представляет собой удобный способ обозначения огромного расстояния (около 9,5 триллиона километров, или 5,9 триллиона миль), но и потому, что она говорит нам, сколько времени потребовалось свету от объекта, чтобы достичь нас. Глядя на звезду, находящуюся на расстоянии 10 световых лет от нас, мы смотрим на 10 лет в прошлое. А рассматривая галактику, удаленную от нас на 10 миллиардов световых лет, мы заглядываем в прошлое на 10 миллиардов лет. Поскольку возраст нашей Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет, эта галактика может рассказать нам о состоянии Вселенной на ранних этапах ее развития. В этом смысле взгляд в космос равносилен взгляду в прошлое.

Здесь есть важный нюанс, о котором я не могу не упомянуть. Технически мы не можем видеть собственное прошлое. Задержка, обусловленная конечной скоростью света, означает, что чем сильнее от нас удален объект, тем в более глубоком прошлом он находится, и это работает в обе стороны: мы не только не способны увидеть собственное прошлое, но и не можем узнать, что происходит с этими далекими галактиками в настоящем. Чем сильнее от нас удален объект, тем дальше он находится на космической временной шкале.

Так как же мы можем узнать что-то о собственном прошлом, глядя на прошлое далекой галактики? Все сводится к основному положению космологии, которое называется «космологическим принципом». В соответствии с этим положением для всех наблюдателей, где бы они ни находились, Вселенная выглядит примерно одинаково. Очевидно, в человеческих масштабах это не так, – поверхность Земли существенно отличается от глубокого космоса или центра Солнца, однако когда речь идет о космических масштабах, в которых целые галактики представляются отдельными незначительными пятнышками, Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях и состоит из одних и тех же компонентов[10].

Эта идея тесно связана с принципом Коперника, еретическим мнением, высказанным в XVI веке. Николай Коперник считал, что мы не занимаем какого-то «особенного положения» в космосе, а находимся в совершенно обычном месте, которое могло быть выбрано абсолютно произвольно. Поэтому, когда мы смотрим на галактику, удаленную от нас на миллиард световых лет, и видим ее такой, какой она была миллиард лет назад во Вселенной на миллиард лет моложе той, в которой мы находимся, мы можем с уверенность полагать, что в то время здесь имелись примерно такие же условия. На самом деле это предположение можно проверить с помощью наблюдений. Исследование распределения галактик по всему космическому пространству показало, что единообразие, подразумеваемое космологическим принципом, наблюдается во всех направлениях.

Таким образом, если мы хотим узнать об эволюции самой Вселенной и условиях, в которых развивалась наша галактика Млечный Путь, все, что нам нужно сделать, это посмотреть на очень удаленный от нас объект.

Это также означает, что в космологии на самом деле нет четко определенного понятия «сейчас». Иными словами, переживаемый вами «настоящий момент» сильно зависит от того, где вы находитесь и что делаете[11]. Как можно говорить, что «взрыв сверхновой происходит сейчас», когда мы наблюдаем, как она взрывается, в настоящий момент, но свет от нее шел к нам миллионы лет? То, что мы видим, по сути, принадлежит прошлому, однако «настоящее» этой взорвавшейся звезды нами ненаблюдаемо, и мы не получим о нем никаких сведений на протяжении миллионов лет, что делает ее «настоящее» нашим будущим.

Когда мы воспринимаем Вселенную как существующую в пространстве-времени – всеобъемлющей универсальной сетке, в которой пространство имеет три измерения, а время является четвертым, мы можем думать о прошлом и будущем как об отдаленных точках единого полотна, тянущегося по всему космосу от его зарождения до самого конца. Для наблюдателя, находящегося в другой точке этого полотна, событие, принадлежащее нашему будущему, может быть далеким прошлым. И свет (или любая другая информация об этом событии), который мы не увидим на протяжении еще нескольких тысячелетий, прямо «сейчас» несется к нам сквозь пространство-время.

Так принадлежит ли это событие будущему, прошлому или, может быть, и тому, и другому? Все зависит от положения наблюдателя.

У человека, привыкшего мыслить в терминах трехмерного мира[12], от этого голова может пойти кругом, однако для астрономов конечная скорость света представляет собой фантастически полезный инструмент. Благодаря этому мы можем изучать историю космоса не по косвенным подсказкам и следам, а непосредственно наблюдая за тем, как он изменяется с течением времени. Мы можем увидеть Вселенную в возрасте всего трех миллиардов лет, когда в ней формировались звезды и вспыхивали галактики, а также как их блеск потускнел за прошедшие эоны. Мы можем заглянуть еще дальше в прошлое и увидеть, как материя втягивалась в сверхмассивные черные дыры спустя менее 500 миллионов лет после зарождения Вселенной, когда звездный свет еще только начинал заполнять межгалактическую тьму.

Совсем скоро благодаря новым космическим телескопам мы сможем рассмотреть некоторые из самых ранних галактик, которые сформировались, когда возраст Вселенной составлял всего несколько сотен миллионов лет. Но можно ли заглянуть еще дальше в прошлое, когда никаких галактик не было? У нас есть такие планы. Разрабатываемые в настоящее время радиотелескопы, возможно, помогут нам увидеть материал, из которого сформировались первые галактики, благодаря особому взаимодействию света и водорода. Глядя на водород, вещество, из которого однажды сформируются звезды и галактики, мы можем наблюдать за возникновением самых первых структур во Вселенной.

Но что если мы заглянем еще дальше в прошлое, в то время, когда не было ни звезд, ни галактик, ни водорода? Можем ли мы увидеть сам Большой взрыв?

Да, можем.

Наблюдение Большого взрыва

Как правило, под Большим взрывом понимается некий пожар, внезапно разгоревшийся из одной точки и заполнивший Вселенную светом и веществом. Однако все было совсем не так. Это был не взрыв во Вселенной, а расширение самой Вселенной. И произошел он не в одной, но в каждой точке пространства. Все существующие сегодня точки Вселенной – место на краю далекой галактики, область межгалактического пространства, комната, в которой вы родились, – в начале времен находились в тесном соседстве, а в первый момент Большого взрыва начали стремительно удаляться друг от друга.

Логика теории Большого взрыва довольно проста. Вселенная расширяется, – мы видим, что расстояние между галактиками увеличивается с течением времени, а это означает, что в прошлом галактики находились ближе друг к другу. Мы можем провести мысленный эксперимент, перемотав наблюдаемое сейчас расширение на миллиарды лет назад до того момента, когда расстояние между галактиками было равно нулю. Наблюдаемая Вселенная, охватывающая все, что мы видим сегодня, в момент своего зарождения должна была занимать несопоставимо меньший объем и представлять собой гораздо более плотный и горячий сгусток вещества. Однако наблюдаемая Вселенная ограничена той частью космоса, которую мы видим сейчас. Мы знаем, что космос простирается намного дальше. На самом деле, исходя из того, что нам известно, вполне вероятно, что Вселенная бесконечна. А это значит, что она была бесконечна и в самом начале. Просто намного плотнее.

Такое сложно себе представить. Бесконечности в этом смысле вызывают большие трудности. Что такое бесконечное пространство? Что означает его расширение? Как может бесконечное пространство становиться еще более бесконечным?

Боюсь, я не смогу ответить на эти вопросы.

Конечному мозгу чрезвычайно сложно осмыслить идею бесконечного пространства. Я лишь могу сказать, что в математике и физике существуют способы обращаться с бесконечностью, которые не нарушают законов логики. Как космолог я исхожу из того, что Вселенная может быть описана математически, и если эта математика работает и оказывается полезной при решении новых задач, я ее использую[13].

Точнее, если математика работает, а несколько иное предположение (например, о том, что Вселенная не бесконечна, но настолько велика, что мы никогда не сможем отыскать ее пределы) никак не влияет на наш опыт или измерения, мы можем придерживаться более простого предположения. Итак, Вселенная бесконечна. С этим можно работать.

В любом случае, говоря о теории Большого взрыва, мы на самом деле имеем в виду, что, судя по текущей скорости расширения и его истории, когда-то давно Вселенная была намного горячее и плотнее, чем сегодня[14]. Иногда весь промежуток времени, на протяжении которого Вселенная была горячей и плотной (примерно 380 000 лет), называют «Горячим Большим взрывом»[15].

Мы даже можем количественно определить, насколько «горячим и плотным» было это состояние, и проследить историю Вселенной в обратном направлении от того прохладного и приятного космоса, каким мы наслаждаемся сейчас, до адской скороварки, условия в которой были настолько экстремальными, что они не вписываются в наше понимание законов физики.

Тем не менее речь идет не о простом теоретизировании. Одно дело вычислять более высокие значения давления и температуры, экстраполируя процесс расширения в прошлое, и совсем другое – наблюдать этот ад воочию.

Космическое микроволновое фоновое излучение

История о том, как мы перешли от размышлений о Большом взрыве к его наблюдению, представляет собой классический пример счастливого открытия в космологии. В 1965 году физик по имени Джим Пиблс из Принстонского университета произвел расчеты расширения космического пространства и сделал поразительный вывод о том, что излучение Большого взрыва должно пронизывать Вселенную и сегодня. Более того, оно должно быть обнаруживаемо. Он рассчитал ожидаемую частоту и интенсивность этого излучения и совместно с коллегами Робертом Дике и Дэвидом Уилкинсоном приступил к созданию прибора для его детектирования. Между тем, неподалеку от них в лаборатории Белла (Bell Labs) астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон готовились провести астрономические наблюдения с помощью детектора микроволнового излучения, который ранее использовался в коммерческих целях. (Микроволны представляют собой вид электромагнитного излучения, имеющего более высокую частоту, чем радиоволны, но более низкую, чем инфракрасное излучение или видимый свет). Во время калибровки инструмента для своих исследований Пензиас и Вильсон, совершенно не думавшие о коммерции и увлеченные изучением неба, обнаружили странный шум. Очевидно, раньше он не мешал использовать телескоп для приема радиосигналов, отраженных от стратостатов, поэтому пользователи его игнорировали. Однако в этот раз речь шла о науке, так что проблему нужно было устранить. Тем не менее, в каком бы направлении ученые ни поворачивали детектор, шум, причинявший множество неудобств, никуда не исчезал.

Помехи представляют собой весьма распространенную проблему на этапе калибровки, и для их возникновения существуют разнообразные причины, например незакрепленный кабель, находящийся поблизости радиопередатчик и множество других вибраций механического происхождения. (Недавний прорыв в радиоастрономии был связан с выяснением того факта, что излучение, детектируемое радиотелескопом в обсерватории Паркса, на самом деле представляло собой помехи от микроволновой печи, работавшей в столовой). Пензиас и Вильсон исследовали детектор вдоль и поперек и даже учли вероятность того, что источником шума могла оказаться небольшая стая голубей, гнездящихся в антенне[16]. Однако, что бы они ни делали, им так и не удалось ни избавиться от этих помех, ни отыскать их источник. Поэтому им пришлось рассмотреть вероятность того, что сигнал идет из космоса, причем сразу со всех сторон. Но что это могло быть? Все, что исходит от планет или Солнца, должно детектироваться только в определенные моменты времени и в определенных направлениях, и даже излучение нашей галактики Млечный Путь не может быть совершенно однородным.

И тут в дело вступает команда из Принстона.

Расчеты Пиблса показали, что если на раннем этапе своего развития Вселенная была горячей повсюду, то в настоящее время мы должны везде обнаруживать следы этого излучения. Он рассуждал следующим образом. Поскольку, заглядывая дальше в космос, мы смотрим в более глубокое прошлое, а в далеком прошлом Вселенная представляла собой один большой огненный шар, то если заглянуть достаточно далеко, можно увидеть часть Вселенной, которая до сих пор охвачена огнем. Иными словами, если 13,8 миллиарда лет назад вся предположительно бесконечная Вселенная была пронизана радиацией, то должны существовать удаленные области, излучение от которых достигает нас только сейчас. В каком бы направлении мы ни смотрели, если мы заглянем достаточно далеко, то увидим эту далекую огненную Вселенную. При этом мы смотрим не на области пространства, которые отличаются от всех остальных, а скорее в то время, когда все пространство было в огне.

Таким образом, это фоновое излучение должно исходить отовсюду, вне зависимости от вашего местоположения, поскольку вы всегда можете заглянуть достаточно далеко, чтобы увидеть горячую фазу космоса. Это возможно благодаря неразрывной связи между скоростью света и «путешествиями во времени». Каждая точка пространства является центром собственной сферы постоянно углубляющегося прошлого, ограниченной огненной оболочкой.

Пиблс это понял и, как принято у физиков, поделился невероятными догадками с коллегами. Он даже распространил препринт работы, в которой описал план по обнаружению данного излучения. Окольными путями слухи об этом достигли лаборатории Белла, находящейся в 60 километрах от них.

Кен Тернер, присутствовавший на лекции Пиблса, посетил обсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико и во время обратного перелета побеседовал с другим астрономом, Бернардом Берком, о том, как было бы здорово обнаружить излучение, оставшееся после Большого взрыва. Вернувшись в офис, Берк позвонил Пензиасу по поводу какой-то другой работы и случайно упомянул о беседе в самолете[17].

Могу предположить, что в этот момент Пензиасу пришлось присесть, поскольку он вдруг осознал, что они с Вильсоном оказались первыми людьми, фактически увидевшими Большой взрыв. Он взял двухдневную паузу, поговорил со своим коллегой, а затем позвонил Роберту Дике, который тут же повернулся к Пиблсу и Уилкинсону и сказал: «Нас обскакали».

И действительно, Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию в 1978 году за первое наблюдение того, что получило название космического микроволнового фонового излучения (или реликтового излучения)[18].

Космическое микроволновое фоновое излучение, или КМФИ, стало одним из самых важных инструментов для изучения истории Вселенной. Трудно переоценить его значение как в качестве набора астрономических данных, так и в качестве технологического достижения. Благодаря ему мы теперь можем собирать и анализировать данные о свечении горячего раннего космоса и составлять карты на их основе. Первым делом открытие КМФИ полностью подтвердило гипотезу о том, что ранняя Вселенная представляла собой один огромный пылающий адским жаром шар.

Но как мы можем быть уверены, что фоновое излучение, которое мы обнаруживаем, на самом деле исходит от изначального огненного шара, а не, скажем, от какого-то странного далекого скопления звезд или чего-то другого? Судя по всему, неопровержимым доказательством является световой спектр, отражающий зависимость степени яркости излучения от его частоты.

Представьте, что вы помещаете кочергу в разожженный камин и ждете, пока она начнет светиться красным. Это красное свечение не принадлежит к свойствам самого металла, а представляет собой явление, происходящее с телом, которое нагревается, но не загорается. Такое свечение называется тепловым излучением, и его цвет зависит только от температуры. Если тело светится синим, оно горячее тела, которое светится красным. На самом деле, если бы вы видели в инфракрасном спектре, вы могли бы наблюдать тепловое излучение, исходящее от людей, горячей еды и нагретых солнцем тротуаров. Тело человека излучает в низкочастотной части инфракрасного диапазона, поскольку оно намного холоднее открытого пламени (если, конечно, дела у этого человека не совсем плохи).

Однако испускаемое телом излучение не ограничивается видимым светом. Все излучающие свет тела, кроме лазеров, испускают волны различных частот (или цветов), при этом цвет, воспринимаемый глазом, соответствует наиболее интенсивному свету. (Вот почему лампы накаливания горячие на ощупь: несмотря на то что большая часть испускаемого ими света относится к видимому спектру, они также излучают в инфракрасном диапазоне, что заставляет их нагреваться)[19]. Для всех видов теплового излучения, в том числе для того, которое испускается раскаленной кочергой, человеческим телом и голубым пламенем конфорки газовой плиты, сохраняется одна и та же взаимосвязь между интенсивностью света и частотой. В зависимости от температуры тела наиболее яркий свет будет соответствовать пиковой длине волны, а по обе стороны от пика свет будет быстро тускнеть. Построив график зависимости интенсивности излучения от длины волны, мы получим кривую, описывающую характер излучения абсолютно черного тела, воспроизводимую всеми телами, которые светятся в результате нагревания[20]. Оказалось, что при измерении интенсивности космического микроволнового фонового излучения на разных частотах получается самая точная кривая излучения черного тела из когда-либо полученных в природе. Единственным объяснением является то, что сама Вселенная когда-то была очень горячей.

Согласно легенде, когда этот результат был впервые представлен в виде графика на одной из конференций, аудитория буквально взорвалась аплодисментами. Отчасти такой энтузиазм был обусловлен тем, что измерение оказалось чрезвычайно впечатляющим и точным, а также идеально вписывающимся в теорию (что всегда бывает очень приятно). Однако я совершенно уверена, что другой причиной было осознание людьми того, что они фактически наблюдают Большой взрыв. Лично меня это поражает до сих пор.

Реликтовое излучение не только представляет собой удивительное явление, но и дает нам возможность узнать о первых мгновениях жизни Вселенной и ее эволюции. Кроме того, оно предоставляет нам некоторые подсказки о том, к чему все идет, как мы увидим в следующих главах.

Однако если вы составите карту реликтового излучения, на которой цветом будет обозначена разница температур в различных областях неба, она может показаться вам довольно скучной из-за практически полного отсутствия цветовых вариаций. Тем не менее, обнаруживаемые мельчайшие отклонения могут многое нам рассказать. Если увеличить контрастность, карта КМФИ превратится в пятнистое полотно, напоминающее абстрактную картину, нарисованную в стиле пуантилизма огромной кистью размером с полную Луну, если смотреть на нее с Земли. Пятна одного цвета скапливаются в определенных местах, а в других смешиваются с пятнами другого цвета. При этом некоторые пятна оказываются чуть более красными, а некоторые – чуть более синими[21]. Цветовые вариации показывают те места, где бурлящая первичная космическая плазма была чуть холоднее или горячее из-за незначительной разницы в плотности, – плотность в каждой точке отклоняется от среднего значения не более чем на одну стотысячную. (Чтобы представить, сколько это, вылейте в бассейн банку с газировкой).

С помощью тщательных расчетов мы можем определить, как эти крошечные вариации плотности за несколько тысячелетий превращаются в целые скопления галактик. Гравитационный коллапс – очень мощная вещь. Сгусток вещества, плотность которого превышает плотность находящейся поблизости материи, будет притягивать эту материю, все больше и больше увеличивая контраст с менее плотной областью. Богатые становятся богаче, а бедные – беднее.

С помощью компьютерного моделирования, которое позволяет за несколько секунд показать процессы, занимающие миллиарды лет, мы можем наблюдать, как чуть более плотный сгусток материи притягивает достаточное количество окружающего его менее плотного газа, формируя первую звезду во Вселенной. Эти звезды образуются в первых галактиках, которые собираются в скопления, превращая пятнистую карту КМФИ в наблюдаемую сегодня космическую паутину из узлов, нитей и пустот, усыпанную галактиками, сверкающими, словно капли росы. Если вы сравните результаты одной из этих компьютерных симуляций с реальной трехмерной картой космоса, каждая точка которой представляет собой одну галактику, вам будет очень сложно их различить.

Итак, Большой взрыв имел место. Мы его наблюдали, мы его рассчитали, теория подтвердилась. Теперь устраивайтесь поудобнее возле сияющего космического черного тела и послушайте историю происхождения космоса.

Самое начало

Далеко не всю космическую историю можно наблюдать непосредственно. События, имевшие место за несколько сотен тысяч лет до окончания стадии огненного шара и спустя около полумиллиона лет после него, чрезвычайно сложно поддаются изучению. В первом случае это происходит из-за слишком большого количества света (представьте, что вы пытаетесь посмотреть сквозь стену огня), а во втором – из-за слишком малого его количества (представьте, что вы пытаетесь рассмотреть пылинки в воздухе между вами и стеной огня). Однако реликтовое излучение, говорящее нам, что произошло прямо посередине между этими событиями, позволяет произвести экстраполяцию в обоих направлениях и получить убедительные данные о том, как развивалась Вселенная на протяжении 13,8 миллиарда лет, начиная с первой миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды.

Итак, начнем?

Вначале была сингулярность.

Возможно. Сингулярность – это первое, что приходит на ум большинству людей, когда они думают о Большом взрыве: бесконечно плотная точка, взрыв которой привел к возникновению Вселенной. Правда, сингулярность не обязательно должна представлять собой точку. Это может быть просто бесконечно плотное состояние бесконечно большой Вселенной. И, как уже говорилось выше, взрыва как такового не было, поскольку взрыв подразумевает расширение в чем-то, а не расширение всего. Идея о том, что все началось с сингулярности, основана на наблюдении за текущим расширением Вселенной, применении уравнений гравитационного поля Эйнштейна и экстраполяции в обратном направлении. Однако эта сингулярность, возможно, никогда не имела места. По мнению большинства физиков, то, что произошло через долю секунды после истинного «начала» Вселенной, представляло собой драматическое сверхрасширение, которое просто стерло все следы того, что происходило до этого. Таким образом, сингулярность – это лишь одна из многих гипотез о том, как все началось.

Также существует вопрос о том, что было до сингулярности. В зависимости от того, кому вы его зададите, этот вопрос может оказаться бессмыслицей (поскольку сингулярность – начало времени и пространства, никакого «до» нее не было) или представлять собой один из наиболее важных вопросов в космологии (поскольку сингулярность может являться конечной точкой предыдущего вселенского цикла, состоящего из Большого взрыва и Большого сжатия). Мы поговорим о второй возможности в главе 7, а пока о сингулярности вам достаточно знать лишь то, что она могла иметь место. Даже «отмотав назад» расширение Вселенной, мы ничего не смогли бы сказать об этой точке, поскольку сингулярность представляет собой настолько экстремальное состояние материи и энергии, что наши познания в области физики не позволяют его описать.

Для физика сингулярность – патологическое явление. Это то место в уравнениях, где некая величина, которая до сих пор вела себя предсказуемым образом (например, плотность вещества), начинает стремиться к бесконечности, что делает невозможным получение какого-либо осмысленного результата. В большинстве случаев столкновение с сингулярностью говорит о том, что в ваших вычислениях что-то пошло не так и вам нужно вернуться к началу. Обнаружить в своей теории сингулярность все равно что получить от своего навигатора инструкцию подъехать к краю озера, разобрать свой автомобиль, собрать из него лодку и переправиться на ней на другой берег. Возможно, это действительно единственный способ добраться до нужного места, однако, скорее всего, вы просто где-то свернули не туда.

Но на практике свести на нет физику, какой мы ее знаем, можно и без истинной сингулярности. Каждый раз, когда в очень малом пространстве оказывается очень много энергии, вам приходится одновременно иметь дело и с квантовой механикой (теорией, описывающей физику частиц), и с общей теорией относительности (теорией гравитации). В обычных обстоятельствах вы можете учитывать что-то одно, поскольку гравитация, как правило, имеет большое значение при работе с массивными объектами, что позволяет игнорировать отдельные частицы, тогда как квантовая механика в основном важна в микромире, где вклад гравитации оказывается несущественным. Однако при столкновении с экстремальной плотностью вам приходится использовать обе теории, а они очень плохо сочетаются друг с другом. Экстремальная гравитация предполагает существование отдельных массивных объектов, которые искривляют пространство и изменяют течение времени, а квантовая механика позволяет частицам проходить сквозь твердые преграды или существовать в виде облаков вероятностей. Фундаментальная несовместимость теорий для очень массивных и очень маленьких объектов намекает нам на то направление, в котором следует двигаться при создании новых, более совершенных теорий. Однако это также сильно затрудняет изучение того, что происходило на очень ранних этапах развития Вселенной.

Отсутствие полноценной теории квантовой гравитации (примиряющей физику элементарных частиц с гравитацией) ограничивает нас в том, как далеко мы можем зайти в экстраполяции данных о Вселенной, получая при этом осмысленный результат. Мы неизбежно достигаем той точки, когда дальнейшее продвижение оказывается невозможным. В этот момент значения плотности вырастают настолько, что эффекты экстремальной гравитации предположительно начинают конкурировать с нечеткостью, присущей квантовой механике, и мы просто не знаем, что с этим делать. Приводит ли сильная гравитация к формированию микроскопических черных дыр, которые затем случайным образом появляются и исчезают из-за квантовой неопределенности? Имеет ли время хоть какое-то значение тогда, когда форма пространства является не более предсказуемой, чем результат броска игральной кости? Как ведут себя пространство и время в микромасштабе – как отдельные частицы или как волны, которые интерферируют друг с другом? Существуют ли кротовые норы? Существуют ли драконы? Мы понятия не имеем.

Однако, поскольку нам необходимо точно определить момент возникновения этой путаницы, мы используем такую единицу, как планковское время[22], которая охватывает промежуток времени от нуля до примерно 10^-43 секунды, что соответствует одной секунде, деленной на 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (это 1 с 43 нулями). Достаточно сказать, что этот период невообразимо короткий. И, чтобы было ясно, дело не в том, что мы можем объяснить все, что произошло после окончания этого периода, а в том, что в настоящее время мы определенно не можем объяснить ничего из того, что произошло до его окончания.

Подведем промежуточные итоги: возможно, сингулярность имела место. Если это так, то за ней сразу же последовала эпоха, называемая планковским временем, о которой мы мало что можем сказать.

По правде говоря, вся временная шкала ранних этапов развития Вселенной по-прежнему является результатом экстраполяции, и я с готовностью признаю, что ей не следует полностью доверять. Вселенная, которая расширяется, начиная с сингулярности, проходит через невообразимый диапазон температур, от практически бесконечно высокого значения в точке сингулярности до прохладной комфортной среды современного космоса, температура которого примерно на 3 градуса превышает абсолютный нуль. Что мы можем сделать, так это выдвинуть предположения о том, какой должна быть физика во всех этих средах, что вы и видите в данной главе. И хотя стандартная теория постепенного расширения, начавшегося с сингулярности, имеет серьезные недочеты (с которыми мы вскоре столкнемся), мы все же можем многое узнать о том, как работает физика, размышляя, что могло бы произойти, будь стандартная теория верна.

Эпоха великого объединения

Согласно стандартной теории Большого взрыва, после Планковской эпохи наступила эпоха великого объединения. (Под термином «эпоха» я подразумеваю промежуток времени продолжительностью около 10^-35 секунды). Эпоха великого объединения была названа в честь Теории великого объединения (ТВО), которая представляет собой утопический идеал «единой» теории, описывающей, как все силы физики элементарных частиц работали вместе в экстремальных условиях ранней Вселенной. Несмотря на то что Вселенная быстро остывала, она все еще была настолько горячей, что количество энергии в каждой точке пространства в триллион раз превышало энергию, генерируемую самыми мощными столкновениями в наших самых совершенных ускорителях частиц. К сожалению, отчасти вследствие такой огромной разницы, не позволяющей нам провести экспериментальные испытания, эта теория до сих пор находится на стадии разработки. Тем не менее, мы можем многое сказать о ней и о том, чем она отличается от того, что мы наблюдаем сегодня.

В обычных условиях современной Вселенной каждая фундаментальная сила природы играет особую роль. Гравитация не дает нам всем улететь с Земли, электричество обеспечивает нас светом, магнетизм удерживает список покупок на дверце холодильника, слабое ядерное взаимодействие гарантирует стабильную работу ядерных реакторов, а сильное ядерное взаимодействие не дает распасться протонам и нейтронам, составляющим наши тела. Однако физические законы, определяющие работу этих сил, их взаимодействие друг с другом и возможность их различения, зависят от условий, в которых проводятся измерения. В частности, от энергии окружающей среды или от температуры. При достаточно высоких уровнях энергии эти силы начинают сливаться и объединяться, изменяя характер взаимодействия частиц и сами законы физики.

Давно известно, что даже в обычных условиях электричество и магнетизм являются аспектами одного и того же явления, на основе которого работают электромагниты и динамо-машины генерируют электричество.

Подобная возможность объединения – просто подарок для физиков. Мы всегда очень радуемся, когда можем взять два сложных явления и сказать: «На самом деле, если вы посмотрите на них под этим углом, вы увидите, что они представляют собой одно и то же». В некотором смысле в этом и заключается конечная цель теоретической физики – отыскать способ объединения всех сложных вещей, которые нас окружают, в нечто красивое, компактное и простое, что всего лишь кажется сложным с нашей странной низкоэнергетической позиции.

В физике элементарных частиц эта попытка получила название Великого объединения. Основываясь на теории и результатах экстраполяции данных, полученных в ходе лабораторных экспериментов, мы считаем, что при очень высоких уровнях энергии электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия объединяются, превращаясь в нечто совершенно иное. При этом нет никакого способа их различить, поскольку все силы являются компонентами одной и той же смеси частиц и энергии, описываемой Теорией великого объединения. Было разработано и предложено несколько ТВО, однако сложность достижения тех уровней энергии, где происходит объединение, затрудняет их подтверждение или исключение, поэтому мы назовем это «областью активных исследований», которой не помешает дополнительное финансирование.

Вероятно, вы заметили, что гравитация не была приглашена на вечеринку ТВО. Чтобы включить гравитацию в общую картину, нам нужно нечто более грандиозное и всеобъемлющее, чем Теория великого объединения, – нам нужна Теория всего (ТВ). Большинство физиков считают, что в конце Планковской эпохи гравитация была каким-то образом объединена с другими силами (с драконами или с чем-то еще, что тогда имело место). Однако, как мы уже говорили, общая теория относительности и физика элементарных частиц не очень хорошо работают вместе в их нынешнем виде, поэтому в разработке Теории всего мы достигли даже меньшего прогресса, чем в разработке ТВО. Многие люди в качестве возможной окончательной ТВ рассматривают теорию струн. Однако если ТВО трудно проверить экспериментально, то проверить ТВ фактически невозможно, по крайней мере, с помощью тех технологий, которые мы в состоянии себе представить. Время от времени вспыхивают споры о том, верно ли это и можно ли считать непроверяемые теории наукой. Я не думаю, что ситуация настолько ужасна, как нам кажется. Космология может помочь решить данную проблему (и я говорю это не просто потому, что я сама космолог). В некоторых случаях, применив творческий подход, можно найти заманчивые возможности для проверки предсказаний теории струн и связанных с ней идей путем наблюдения за космосом. Если нам удастся пережить пару апокалипсисов, описанных в следующих нескольких главах, мы увидим, что космология способна рассказать о фундаментальной структуре Вселенной гораздо больше, чем любой эксперимент с частицами.

Однако давайте вернемся к истории. Мы оставили позади Планковскую эпоху с присущей ей квантово-гравитационной путаницей и наслаждаемся единством фундаментальных взаимодействий, свойственным чуть менее спекулятивной эпохе Великого объединения.

Космическая инфляция

То, что произошло дальше, все еще остается предметом дискуссий, однако большинство космологов согласны в том, что примерно в этот момент Вселенная пережила процесс, который мы называем космической инфляцией. По каким-то причинам, нам не до конца понятным, расширение Вселенной внезапно ускорилось, и та область, которой предстояло стать нашей наблюдаемой Вселенной, увеличилась в размерах более чем в 100 триллионов триллионов (т. е. 10²⁶) раз. Разумеется, при этом она достигла всего лишь размера пляжного мяча, однако, учитывая, что начальная точка была неизмеримо меньше любой известной нам частицы, а процесс расширения занял примерно 10^-34 секунды, это не может не произвести впечатление.

Теория инфляции позволила решить несколько по-настоящему сложных проблем, свойственных стандартной модели Большого взрыва. Одна из них была связана со странной однородностью космического микроволнового фонового излучения, а другая – с крошечными отклонениями в нем.

Проблема однородности заключается в том, что стандартная космологическая модель Большого взрыва никак не объясняет тот факт, что вся наблюдаемая Вселенная, включая области, находящиеся на противоположных сторонах неба, имела одну и ту же температуру на ранних стадиях развития. Изучая отголоски Большого взрыва, мы видим, что она была одинаковой везде, что, если подумать, кажется весьма странным совпадением. Как правило, два объекта могут иметь одинаковую температуру в том случае, если они находятся в состоянии, которое мы называем термодинамическим равновесием. Это означает, что у таких объектов есть возможность обмениваться теплом, а также время для этого. Если вы оставите чашку кофе в комнате на достаточно долгое время, кофе и воздух будут взаимодействовать друг с другом, и в итоге вы получите чашку с кофе комнатной температуры и комнату с немного более теплым воздухом. Проблема стандартной картины ранней Вселенной состоит в том, что она не предусматривает ситуацию, в которой две отдаленные области могли бы взаимодействовать друг с другом и достичь теплового равновесия. Если мы возьмем две точки на противоположных сторонах небосвода и выясним расстояние между ними сейчас и расстояние, которое разделяло их в самом начале, 13,8 миллиарда лет назад, мы обнаружим, что в истории Вселенной не было момента, когда они находились достаточно близ�