Книга: Черные дыры и молодые вселенные

13. Будущее Вселенной

13. Будущее Вселенной

[23]

Тема данного эссе – будущее Вселенной, точнее – каким представляют его ученые. Конечно, предсказывать будущее очень трудно. Мне как-то подумалось, не написать ли книгу под названием «Вчерашнее завтра: история будущего». Это была бы история предсказаний будущего, почти все из которых оказались весьма далеки от истины. Но несмотря на эти неудачи, ученые по-прежнему думают, что могут предсказать будущее.

В древние времена предсказания были делом оракулов или сивилл. Часто это были женщины, погруженные в транс каким-либо наркотическим веществом или надышавшиеся вулканических испарений. Их бред толковали окружавшие их жрецы. Действительное искусство крылось в толковании. Знаменитый Дельфийский оракул в Древней Греции был знаменит своей уклончивостью и двусмысленностями. Когда персы напали на Грецию и спартанцы спросили, что будет дальше, оракул ответил: «Или Спарта будет разрушена, или ее царь будет убит». Полагаю, жрец рассчитывал, что если не сбудется ни то ни другое, спартанцы будут так благодарны Аполлону, что не заметят ошибки оракула. На самом деле царь был убит в бою, защищая проход у Фермопил, что спасло Спарту и привело к окончательному разгрому персов.

В другом случае лидийский царь Крёз, богатейший человек в мире, спросил, что будет, если он вторгнется в Персию. Ответ был таков: «Великое царство погибнет». Крёз подумал, что имеется в виду Персидская держава, но погибло его собственное царство.

Недавние пророки с большей готовностью рисковали головой, указывая точные даты конца света. Им даже удавалось сбить цены на фондовом рынке, хотя не могу взять в толк, почему конец света заставляет людей продавать свои акции. Полагаю, ни деньги, ни акции все равно с собой не возьмешь.

Пока что все эти даты конца света прошли без каких-либо инцидентов. Но пророки часто находили объяснение своим очевидным ошибкам. Например, Уильям Миллер, основатель секты адвентистов седьмого дня, предсказал, что второе пришествие будет между 21 марта 1843 года и 21 марта 1844 года. Когда ничего не произошло, дата была перенесена на 22 октября 1844 года. Когда и она прошла без происшествий, была выдвинута новая интерпретация, согласно которой 1844 год являлся началом второго пришествия – но прежде нужно пересчитать имена в Книге жизни. Только тогда настанет день Страшного суда для тех, кого в Книге не оказалось. К счастью, подсчет занял долгое время.

Конечно, и научные прогнозы могут оказаться не надежнее, чем предсказания оракулов и пророков. Можно вспомнить прогнозы погоды. Но представляется, что в определенных ситуациях мы можем дать надежный прогноз, и будущее Вселенной, в очень большом масштабе, попадает в число таких тем.

За последние триста лет мы открыли научные законы, управляющие существованием материи в нормальных условиях. Но для экстремальных ситуаций мы по-прежнему законов не знаем. Эти законы важны для понимания того, как возникла Вселенная, но они не влияют на ее будущее развитие, если только (или пока) Вселенная опять не сожмется в сверхплотное состояние. По сути, мерилом того, как мало эти законы высоких энергий влияют на нынешнюю Вселенную, является тот факт, что для их проверки мы тратим огромные деньги на строительство гигантских ускорителей частиц.

Даже зная соответствующие законы, управляющие Вселенной, мы не можем использовать их для предсказания далекого будущего. Это объясняется тем, что решения физических уравнений могут проявить свойство, известное как хаотичность, то есть уравнения могут оказаться нестабильными: малейшее изменение в параметрах – и поведение системы вскоре совершенно изменится. Например, если вы чуть-чуть измените усилие, с которым толкнули колесо рулетки, то измените выигрышный номер. Выигрышный номер практически невозможно предугадать – иначе физики сколачивали бы себе состояние в казино.

В нестабильных хаотических системах, как правило, можно выявить некий временной масштаб, характеризующийся тем, что в нем малое изменение в неких начальных условиях возрастает вдвое. В приложении к земной атмосфере этот временной масштаб составляет порядка пяти дней – примерно столько, сколько нужно ветру, чтобы облететь вокруг Земли. На период около пяти дней предсказать погоду можно довольно точно, но чтобы предсказать ее дальше, нужно очень точно знать настоящее состояние атмосферы и произвести невероятно сложные вычисления. Нет способа предсказать погоду на шесть месяцев вперед точнее, чем дать среднее сезонное значение.

Мы также знаем основные законы химии и биологии и в принципе могли бы определить, как работает мозг. Но описывающие мозг уравнения почти наверняка имеют хаотический характер, и малейшее изменение начального состояния ведет к совершенно иному результату. Поэтому на практике мы не можем предсказать человеческое поведение, даже если бы знали уравнения, им управляющие. Наука не может предсказать будущее человечества, даже если это будущее есть. Опасность заключается в том, что наша способность разрушать и губить окружающую среду и друг друга возрастает гораздо быстрее, чем наша мудрость в использовании этой способности.

Что бы ни случилось на Земле, остальная Вселенная не обратит на это внимания. Представляется, что движение планет вокруг Солнца в конечном счете хаотично, хотя и в далекой перспективе. Это означает, что ошибки в предсказании становятся с течением времени больше. Далее какого-то времени движение в деталях предсказать невозможно. Мы можем быть относительно уверены, что Земля очень долго не встретится с Венерой, но не можем гарантировать, что малые возмущения орбит не сложатся так, что через миллиард лет это столкновение произойдет. Движение Солнца и других звезд вокруг центра Галактики и движение Галактики вокруг центра группы галактик тоже хаотичны. Мы наблюдаем, что другие галактики удаляются от нас, и более отдаленные удаляются быстрее. Это означает, что Вселенная расширяется в близлежащее пространство: расстояние между галактиками со временем возрастает.

Наблюдаемое нами фоновое микроволновое излучение из внешнего пространства свидетельствует, что это расширение равномерно и нехаотично. Вы можете сами наблюдать это излучение, настроив ваш телевизор на свободный канал. Небольшая часть пятнышек, увиденных вами на экране, вызвана микроволнами, пришедшими из-за пределов Солнечной системы. Это тот же вид излучения, что и в микроволновой печи, просто гораздо слабее. Оно может разогреть пищу лишь до 2,7 градуса выше абсолютного нуля и потому не очень подойдет для приготовления пиццы. Считается, что это излучение осталось от ранней – горячей – стадии развития Вселенной. Но самое замечательное в нем то, что почти одно и то же количество излучения поступает со всех направлений. Его очень точно измеряет спутник-исследователь космического фона. Карта неба, сделанная по результатам этих наблюдений, показала бы разную температуру излучения. С разных направлений приходит излучение разной температуры, но отклонения очень невелики – не более чем 1 часть на 100 000. Какая-то разница в микроволнах, пришедших с разных направлений, должна быть, так как Вселенная не совершенно равномерна – в ней есть местные аномалии вроде звезд, галактик и скоплений галактик. Но отклонение микроволнового фона мало, насколько это возможно, учитывая наблюдаемые нами местные аномалии. С точностью не хуже чем 99,999 % микроволновый фон одинаков во всех направлениях.

В древние времена люди верили, что Земля находится в центре Вселенной. И потому они бы не удивились, что фон со всех сторон одинаков. Однако со времен Коперника нас понизили до одной из малых планет, вращающихся вокруг очень заурядной звезды на окраине обыкновенной галактики – одной из ста миллиардов видимых нами. Теперь мы стали настолько скромны, что не можем претендовать на особое положение во Вселенной, и потому должны допустить, что фон одинаков во всех направлениях почти в любой галактике. Это возможно только в том случае, если средняя плотность Вселенной и скорость ее расширения везде одинаковы. Любое отклонение средней плотности или скорости расширения в большой области привело бы к тому, что фон с разных направлений различался бы. Из этого следует, что в очень большом масштабе поведение Вселенной просто и нехаотично и потому можно делать предсказания на далекое будущее.

Поскольку расширение Вселенной столь равномерно, его можно описать одним числом – расстоянием между двумя галактиками. В настоящее время оно возрастает, но можно предположить, что гравитационное притяжение между разными галактиками замедляет это возрастание. Если плотность Вселенной больше некоторой критической величины, гравитационное притяжение в конце концов остановит расширение и снова заставит Вселенную сжиматься. Произойдет Большое Сжатие. Это будет подобно Большому Взрыву, с которого Вселенная началась. Большое Сжатие окажется так называемой сингулярностью – состоянием с бесконечной плотностью, в котором нарушаются физические законы. Это означает, что даже если бы после Большого Сжатия были какие-то события, предсказать их невозможно. Но без причинной связи между событиями нет никакого осмысленного способа определить, что за чем последует. Наша Вселенная может даже закончиться Большим Сжатием, и тогда любое событие «после» этого будет частью другой, особой Вселенной. Это немного напоминает перевоплощение, реинкарнацию. Какое значение можно придавать утверждению, будто новорожденный ребенок – тот же человек, что и умерший, если ребенок не унаследовал никаких свойств и никаких воспоминаний из своей предыдущей жизни? Точно так же можно сказать, что это другая личность.

Если средняя плотность Вселенной меньше критического значения, она не будет сжиматься, а ее расширение продолжится. Через какое-то время ее плотность станет так мала, что гравитационное притяжение не будет оказывать существенного влияния на скорость расширения, и галактики продолжат разлетаться с постоянной скоростью.

Значит, ключевой вопрос относительно будущего Вселенной состоит в том, какова ее средняя плотность. Если она меньше критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, но если больше, то она снова захлопнется, и само время тоже закончится в Большом Сжатии. Однако у меня есть некоторое преимущество перед предсказателями судеб. Даже если Вселенной суждено сжаться, я могу с уверенностью предсказать, что расширение не остановится еще по крайней мере десять миллиардов лет. Не думаю, что кто-то уличит меня в ошибке.

Среднюю плотность Вселенной мы можем попытаться оценить по наблюдениям. Если пересчитаем видимые звезды и сложим их массы, то получим менее одного процента от критической плотности. Даже если мы присовокупим массу газовых облаков, наблюдаемых во Вселенной, это увеличит сумму примерно на один процент от критического значения. Однако мы знаем, что Вселенная содержит так называемую темную материю, которую нельзя увидеть непосредственно. Частично свидетельства о такой темной материи приходят из спиральных галактик. Это огромные скопления звезд и газа, имеющие форму сковороды. Мы наблюдаем, как они вращаются вокруг своего центра, но скорость вращения очень велика, и если бы они содержали только видимые звезды и газ, то разлетелись бы. Там должна быть какая-то невидимая форма материи, гравитационное притяжение которой достаточно велико, чтобы при вращении удержать галактики в целости.

Другие свидетельства о темной материи поступают из скоплений галактик. Мы наблюдаем, что галактики в пространстве распределены не равномерно – они собираются в скопления, насчитывающие от нескольких галактик до миллиона. Предположительно, эти скопления сформировались потому, что галактики притягиваются друг к другу. Однако мы можем измерить скорость, с которой в этих скоплениях движутся отдельные галактики. Оказывается, скорости так высоки, что скопления разлетелись бы, не сдерживай их гравитационное притяжение. Это случится, даже если галактики имеют достаточную массу, чтобы сохранить свою целостность при вращении. Отсюда следует, что в скоплениях галактик должна быть дополнительная, темная, материя, кроме той, что мы видим.

Можно довольно достоверно оценить количество темной материи в тех галактиках и скоплениях, о которых у нас есть определенные свидетельства. Но эта оценка по-прежнему составит около десяти процентов критической плотности, необходимой для того, чтобы заставить Вселенную снова сжаться. Таким образом, если основываться на наблюдениях, можно утверждать, что Вселенная будет расширяться вечно. Еще через пять миллиардов лет у Солнца иссякнет ядерное топливо, Солнце раздуется, образуя так называемый красный гигант, и поглотит Землю и ближайшие планеты. Потом оно перейдет в состояние белого карлика диаметром в несколько тысяч миль. Так я предсказываю конец света, но он наступит еще не сейчас. Не думаю, что мое предсказание вызовет большую депрессию на фондовом рынке. На горизонте видны более насущные проблемы. Во всяком случае, к тому времени, когда Солнце раздуется, нам нужно освоить искусство межзвездных путешествий, если мы еще не уничтожим себя сами.

Примерно через миллиард лет большинство звезд во Вселенной сгорит. Звезды с массой вроде нашего Солнца станут или белыми карликами, или нейтронными звездами, которые еще меньше и плотнее. Более массивные звезды станут черными дырами, которые еще меньше и имеют такое сильное гравитационное поле, что даже свет не может его преодолеть. Однако эти остатки будут по-прежнему вращаться вокруг центра Галактики с периодом около ста миллионов лет. Столкновения между остатками вытолкнут некоторые из них прочь из Галактики. Остальные установятся на более близких к центру орбитах и в конце концов соберутся вместе, образовав в центре Галактики гигантскую черную дыру. Чем бы ни была темная материя в галактиках и их скоплениях, она тоже, видимо, упадет в эти большие черные дыры.

Следовательно, можно предположить, что бо?льшая часть материи в галактиках и их скоплениях закончит свой путь в черных дырах. Однако не так давно я открыл, что черные дыры не такие уж черные, как их принято изображать. Принцип неопределенности в квантовой механике гласит, что нельзя точно предсказать и положение частицы, и ее скорость. Чем более точно определяется положение, тем менее точно – скорость, и наоборот. Если частица находится в черной дыре, ее положение четко определено – в черной дыре. Следовательно, ее скорость точно определить нельзя, и, стало быть, она может оказаться выше скорости света. Это дает ей возможность вырваться из черной дыры. И таким образом частицы и излучение будут потихоньку вытекать из черной дыры. Диаметр гигантской черной дыры в центре Галактики будет составлять миллионы миль. Следовательно, положение частицы в такой дыре будет обладать большой степенью неопределенности. Стало быть, неопределенность скорости будет небольшой, и частице понадобится очень долгое время, чтобы вырваться оттуда. Но в конце концов она вырвется. Большой черной дыре в центре Галактики может понадобиться 10⁹⁰ лет, чтобы испариться совсем и прекратить свое существование, – это единица с 90 нулями, то есть гораздо больше, чем срок существования нынешней Вселенной, составляющий всего 10¹⁰ лет – единица с 10 нулями. Так что если Вселенная собирается расширяться вечно, у нас еще куча времени.

Будущее вечно расширяющейся Вселенной будет довольно скучным. Но будет ли она расширяться вечно, еще ни в коей мере не решено. У нас есть определенные свидетельства, что имеется примерно лишь одна десятая от плотности, нужной для того, чтобы Вселенная снова сжалась. И все же могут быть другие виды темной материи, которые мы пока не выявили, но которые могут повысить плотность Вселенной до критической величины или превысить ее. Эта дополнительная темная материя должна располагаться вне галактик и их скоплений. Иначе мы бы заметили ее воздействие на вращение галактик или их движение внутри скоплений.

С чего бы нам предполагать, что может найтись достаточно материи, которая в конце концов заставит Вселенную сжиматься? Почему бы просто не поверить в то, чему есть свидетельства? Причина в том, что даже наличие одной десятой критической плотности требует невероятно тщательного определения начальной плотности и скорости расширения. Если бы плотность Вселенной через одну секунду после Большого Взрыва была на одну триллионную больше, Вселенная сжалась бы через десять лет. С другой стороны, если бы она в то время была на ту же часть меньше, то с тех пор существенно опустошилась бы.

Как же получилось, что начальная плотность оказалась так тщательно выбрана? Возможно, существует какая-то причина, по которой Вселенная должна иметь точно критическую плотность. Этому можно найти два объяснения. Одно – это так называемый антропный принцип; его можно перефразировать следующим образом: Вселенная такова, потому что будь она другой, нас бы тут не было, чтобы ее наблюдать. Идея заключается в том, что могло быть множество вселенных с разными судьбами. И только вселенные с плотностью, очень близкой к критической, смогли просуществовать достаточно долго и содержать достаточно материи для образования звезд и планет. Только в таких вселенных могли появиться разумные существа, чтобы задаться вопросом: почему это плотность Вселенной так близка к критической? Если это объяснение, то нет смысла полагать, что материи во Вселенной больше, чем мы уже обнаружили. Чтобы образовались галактики и звезды, хватило бы и десятой части критической плотности. Однако многим не нравится антропный принцип, поскольку он, похоже, придает слишком большую важность нашему собственному существованию. Поэтому они искали какое-то другое объяснение тому, почему плотность должна быть так близка к критической. Эти поиски привели к теории инфляции в ранней Вселенной. Идея заключалась в том, что размеры Вселенной постоянно удваивались, как каждый месяц удваиваются цены в странах с высокой инфляцией. Однако инфляция Вселенной была гораздо быстрее и выше: рост с коэффициентом как минимум миллиард миллиардов миллиардов – такая крохотная инфляция – привел бы к тому, что Вселенная подошла бы очень близко к критической плотности и имела бы плотность, близкую к критической, и сейчас. Это означает, что Вселенная, вероятно, в конце концов опять сожмется, но на это ей понадобится не намного больше времени, чем те примерно пятнадцать миллиардов лет, в течение которых она расширяется.

Чем может оказаться дополнительная темная материя, если теория инфляции верна? По-видимому, она отличается от нормальной материи, из которой состоят звезды и планеты. Мы можем рассчитать количество различных легких элементов, произведенных на ранних, горячих этапах развития Вселенной в первые три минуты после Большого Взрыва. Количество этих легких элементов зависит от количества нормальной материи во Вселенной. Можно начертить график, где ординатой будет количество легких элементов, а абсциссой – количество нормальной материи. Получится хорошее соответствие с наблюдаемым содержанием элементов, если полное количество нормальной материи составит примерно лишь одну десятую от критического количества сейчас. Возможно, эти расчеты неверны, но тот факт, что мы получаем наблюдаемое содержание элементов, очень впечатляет.

Если существует критическая плотность темной материи, главным претендентом на то, чтобы быть темной материей, будут остатки от ранних этапов развития Вселенной. Возможно, это элементарные частицы. Есть несколько гипотетических кандидатов – частицы, наличие которых мы предполагаем, но которые в действительности пока не обнаружены. Но самый многообещающий вариант – это частица, о существовании которой есть свидетельства, – нейтрино. Считалось, что она не имеет собственной массы, но некоторые недавние наблюдения позволили предположить, что нейтрино может иметь маленькую массу. Если это подтвердится и будет найдено ее правильное значение, нейтрино обеспечат достаточно массы, чтобы довести плотность Вселенной до критического значения.

Другая возможность – черные дыры. Можно предположить, что ранняя Вселенная испытала так называемый фазовый переход. Примеры фазового перехода – замерзание и закипание воды. При фазовом переходе первоначально однородная среда, вроде воды, порождает аномалии, – в случае с водой это кристаллики льда или пузырьки пара. Эти аномалии могли сжаться, образовав черные дыры. Если бы черные дыры были очень малы, они бы к настоящему времени испарились вследствие принципа неопределенности в квантовой механике, как было описано выше. Но если их масса была больше нескольких миллионов тонн (масса горы), они могут по-прежнему где-то летать, и их очень трудно обнаружить.

Единственный способ обнаружить темную материю, равномерно распределенную по Вселенной, основывался бы на ее влиянии на расширение Вселенной. Насколько тормозится скорость расширения, можно определить, измерив скорость удаления от нас далеких галактик. Дело в том, что, когда свет от этих галактик достигает нас, мы наблюдаем их давнее прошлое. Можно начертить график зависимости скорости галактик от их видимой яркости и величины, что и является мерой их удаленности от нас. Разные линии на этом графике относятся к различным темпам замедления расширения. Изогнутый график относится ко Вселенной, которая сожмется. На первый взгляд, графики говорят о грядущем сжатии. Но беда в том, что видимая яркость галактики – не очень хороший показатель ее удаленности от нас. Существует не только значительный разброс в собственной яркости галактик, но есть еще и свидетельства, что их яркость изменяется со временем. Поскольку мы не знаем, в какой степени может измениться яркость, мы не можем сказать, каков темп замедления: то ли он достаточен, чтобы в конце концов Вселенная начала сжиматься, то ли она будет расширяться вечно. Придется подождать, пока мы не разработаем лучшие способы измерения расстояния до галактик. Но можно не сомневаться, что темп замедления не так велик, чтобы Вселенная сжалась в ближайшие миллиарды лет.

Ни вечное расширение, ни сжатие через сто миллиардов лет не являются такой уж интересной перспективой. Нет ли чего-нибудь такого, что сделало бы будущее более интересным? Одним из несомненно интересных путей была бы возможность попасть в черную дыру. Это должна быть довольно большая черная дыра, по массе более чем в миллион раз превышающая Солнце. Но есть шанс, что в центре Галактики есть черная дыра таких размеров.

Мы не знаем точно, что происходит внутри черной дыры. Для уравнений общей теории относительности существуют решения, позволяющие упасть в черную дыру и выйти где-нибудь в другом месте из белой дыры. Белая дыра – это пущенная вспять черная дыра. Это объект, из которого можно выйти, но в который нельзя попасть. Белая дыра могла бы быть где-то в другой части Вселенной. Похоже, это дало бы нам возможность для быстрых межгалактических путешествий. Беда в том, что эти путешествия могут оказаться слишком быстрыми. Если бы путешествие через черные дыры было возможно, то, похоже, ничто не помешало бы вам вернуться назад еще до того, как вы оттуда отбыли. Тогда вы можете совершить что-нибудь вроде убийства своей матери, что помешает вам занять начальную позицию.

Возможно, к счастью для нашего выживания (и для жизни наших матерей), физические законы не позволяют таких путешествий во времени. Похоже, существует какое-то Агентство защиты хронологии, не пускающее путешественников в прошлое и тем самым делающее мир безопасным для историков. Вот что может произойти, если кто-то проникнет в прошлое: под действием принципа неопределенности это произведет большое количество излучения; полученное излучение или так искривит пространство-время, что будет невозможно вернуться во времени, или пространство-время закончится в сингулярности наподобие Большого Взрыва или Большого Сжатия. В любом случае наше прошлое будет защищено от злоумышленников. Гипотеза о защите хронологии поддерживается некоторыми недавними расчетами, проделанными мною и другими людьми. Но лучшим свидетельством того, что путешествия во времени невозможны и никогда не будут возможны, является тот факт, что к нам не вторгаются орды туристов из будущего.

Подведем итог: ученые верят, что Вселенной управляют четкие законы, в принципе позволяющие предсказывать будущее. Но движение, данное законами, часто хаотично. Из этого следует, что малейшее изменение начальной ситуации может привести к изменению в последующем поведении, и эти изменения быстро разрастаются. Поэтому на практике зачастую можно точно предсказать будущее только на короткое время. Однако поведение Вселенной в очень большом масштабе представляется простым и нехаотичным. Поэтому можно предсказать, будет ли она расширяться вечно или в конце концов начнет сжиматься. Это зависит от сегодняшней плотности Вселенной. На самом деле ее нынешняя плотность кажется очень близкой к критической, которая разделяет сжатие и вечное расширение. Если теория инфляции верна, Вселенная действительно находится на лезвии бритвы. Так что я, продолжая добрую традицию оракулов и пророков страховаться, предсказываю оба варианта.