Когда Колдуэлл занялся этой проблемой, он заметил, что все наблюдения указывают на то, что значение w равно или почти равно -1. То есть значения меньше -1 не противоречат данным.
Эта гипотетическая темная энергия с параметром w < -1 была названа Колдуэллом «фантомной темной энергией» и противоречила вышеупомянутым важным теоретическим принципам, в частности, «доминирующему энергетическому условию», согласно которому энергия не может перемещаться быстрее света[48]. Это условие кажется вполне разумным, но оно несколько отличается от обычного утверждения о том, что свет (или любой вид материи) имеет предельную скорость распространения, и в настоящее время оно является не столько доказанным физическим принципом, сколько очень хорошей идеей. Что, если ему свойственна некоторая гибкость?
Колдуэлл и его коллеги пошли еще дальше и рассчитали ограничения, основываясь на полном диапазоне возможных значений параметра w. В результате они выяснили не только то, что значения меньше -1 полностью соответствуют данным, они также установили, что если w даже крайне незначительно отклоняется от -1 в меньшую сторону, темная энергия разорвет Вселенную, и произойдет это за конечное время, которое можно вычислить.
Здесь я хочу на секунду прерваться и сказать, что эта статья под названием Phantom Energy: Dark Energy with w < -1 Causes a Cosmic Doomsday («Фантомная энергия: темная энергия с параметром w < -1 предвещает космический конец света») – одна из моих любимых работ по физике. Нечасто можно обнаружить, что небольшая корректировка текущей картины мира в виде незначительного уменьшения значения параметра приводит к уничтожению Вселенной. Более того, вы можете точно рассчитать, когда и как именно погибнет Вселенная и как она будет выглядеть, когда это произойдет.
Об этом мы и поговорим далее.
Большой разрыв
Аналогией в данном случае может послужить процесс распутывания.
Первыми будут разрушены самые крупные образования, состоящие из слабо связанных между собой компонентов. Длинные переплетающиеся траектории, по которым лениво кружат группы из сотен и тысяч галактик в скоплениях, будут становиться все более длинными. Обширные пространства, преодолеваемые галактиками за миллионы или миллиарды лет, еще больше расширятся, в результате чего галактики на окраинах начнут медленно дрейфовать в углубляющиеся космические пустоты. Вскоре даже самые плотные скопления рассеются, поскольку на входящие в их состав галактики больше не будет действовать сила притяжения со стороны центрального ядра.
Для нас исчезновение скоплений должно было бы стать первым зловещим признаком начала Большого разрыва. Однако из-за конечной скорости света эта подсказка дойдет до нас с задержкой – к тому моменту, когда эффекты Большого разрыва начнут проявляться в непосредственной близости от нас. По мере рассеивания местного скопления Девы входящие в его состав галактики будут все быстрее удаляться от Млечного Пути. Однако заметить этот эффект будет довольно трудно, в отличие от следующего.
У нас уже есть космические телескопы, позволяющие отслеживать положения и движение миллиардов звезд в нашей галактике[49]. По мере приближения Большого разрыва мы начнем замечать, что звезды на окраинах галактики уже не вращаются по своим привычным орбитам, а расходятся в разные стороны, словно гости в конце вечеринки. Вскоре наше ночное небо начнет темнеть вследствие исчезновения великого Млечного Пути. Наша галактика испарится.
С этого момента процесс разрушения начнет набирать обороты. Мы заметим медленное расширение орбит. Всего за несколько месяцев до конца, после того как внешние планеты Солнечной системы канут во тьму, Земля удалится от Солнца, а Луна от Земли. Нам тоже предстоит оказаться во тьме, в полном одиночестве.
Правда, покой нового уединения не продлится долго.
К этому моменту любая все еще не поврежденная структура будет подвергаться все более сильному воздействию расширяющегося пространства внутри нее. Атмосфера Земли начнет истончаться с верхних слоев. Движение тектонических плит Земли станет хаотичным в результате изменения гравитационного воздействия. За несколько часов до конца Земля утратит возможность сопротивляться внутреннему давлению: наша планета взорвется.
В принципе, даже разрушение Земли можно пережить, если мы вовремя интерпретируем признаки грядущего апокалипсиса и укроемся в какой-нибудь компактной космической капсуле[50]. Но и это решение предоставит лишь краткую отсрочку. Вскоре электромагнитные силы, которые удерживают вместе атомы и молекулы, составляющие наши тела, перестанут сопротивляться расширению пространства. В последние доли секунды молекулы распадутся, и все мыслящие существа, которые доживут до этого момента, будут разорваны изнутри.
Уже никто не сможет наблюдать за дальнейшим процессом разрушения, который, несмотря на это, будет продолжаться. Следом будут уничтожены сами ядра – сверхплотные материальные образования в центрах атомов. Невообразимо плотные ядра черных дыр будут выпотрошены. А в последний момент разорвется ткань самого пространства.
К сожалению, мы никогда не сможем сказать наверняка, что нам не грозит Большой разрыв. Проблема заключается в том, что разница между Вселенной, обреченной на тепловую смерть, и Вселенной, которую ждет Большой разрыв, крайне трудноуловима. Если темная энергия представляет собой космологическую постоянную, то есть значение параметра уравнения состояния w равно -1, то нас ждет тепловая смерть. Если значение w меньше -1 даже незначительно, например на одну миллиардную миллиардной, то мы имеем дело с фантомной темной энергией, способной разорвать Вселенную в клочья.
Поскольку измерить что-либо с абсолютной точностью нельзя, мы можем утверждать лишь, что если Большой разрыв действительно произойдет, это случится в таком далеком будущем, что к тому моменту все организованные структуры в космосе уже распадутся. Даже если мы имеем дело с фантомной темной энергией, чем ближе значение параметра w к -1, тем в более отдаленное будущее сдвигается Большой разрыв. В последний раз, когда я рассчитывала самый ранний из возможных моментов наступления этого события на основании данных со спутника «Планк» 2018 года, у меня получилось что-то около 200 миллиардов лет.
Можно вздохнуть с облегчением.
Тем не менее, учитывая возможные последствия как для Вселенной, так и для самой физики, астрономы придают большую важность определению нашего положения на шкале от w = -1 до значения, грозящего космическим концом света[51]. Мы не можем измерить величину w напрямую, но можем сделать это косвенно, измерив скорость расширения Вселенной в прошлом и сравнив результат с поведением различных видов темной энергии, предсказанным нашими лучшими теоретическими моделями. В предыдущей главе я приукрасила ситуацию, но на самом деле выяснить скорость расширения в прошлом оказалось гораздо сложнее, чем мы предполагали. В принципе, значение w можно определить несколькими способами, и некоторые из них даже не требуют вычисления скорости расширения с учетом конкретных расстояний. Но самый простой способ разобраться с темной энергией – это изучить всю историю расширения Вселенной. Однако все странности космологии обрушиваются на вас, стоит только попытаться ответить на простой вопрос: «На каком расстоянии от нас находится эта галактика?»
Лестница в небо
Чтобы сравнить локальные скорости расширения пространства в двух отдаленных точках Вселенной, сначала необходимо выяснить точное расстояние между ними. Это не сложно сделать на Земле или даже в пределах орбиты Луны, направив на объект лазерный луч и посмотрев, сколько времени потребуется свету, чтобы вернуться[52]. В таких масштабах Вселенная ведет себя довольно разумно и в основном проявляется как неизменное пространство, где расстояние от точки А до точки Б легко определить. Когда речь заходит об объектах, находящихся за пределами Солнечной системы, все становится сложнее не только потому, что расстояния до них труднее измерить, но и потому, что в больших масштабах само понятие расстояния начинает меняться из-за расширения пространства.
На протяжении многих лет астрономы старались объединить в систему ряд частично дублирующих друг друга определений и методов измерения космических расстояний. Какой бы запутанной она ни казалась сегодня, эта система является результатом нескольких десятилетий инновационной деятельности в сфере наблюдательной астрономии и анализа данных, и она предоставила нам интуитивно понятную, но сложную для реализации стратегию под названием «лестница расстояний».
Представьте, что вам нужно измерить длину большой комнаты, используя обычную линейку. Если вы готовы ползать по полу, вы можете просто проверить, сколько раз линейка помещается в это расстояние. Применив творческий подход, вы могли бы измерить длину своего шага, а затем просто пройтись по комнате, считая шаги. Выбрав второй метод, вы создали бы лестницу расстояний – систему определения больших расстояний на основе легко измеримых значений.
Лестница космических расстояний состоит из нескольких ступеней, позволяющих добраться до объектов, находящихся в миллиардах световых лет от нас. В пределах Солнечной системы определить расстояния помогают лазерная дальнометрия, расчет орбит и даже затмения. На следующей ступени лестницы расстояний используется параллакс. В основе этого метода лежит тот факт, что при смене точки обзора видимое положение более близких объектов смещается относительно неподвижного фона сильнее, чем видимое положение более удаленных объектов. Именно этим эффектом объясняется то, что палец, находящийся перед вашим лицом, «перепрыгивает» из стороны в сторону, когда вы поочередно закрываете глаза. Если мы посмотрим на расположенную поблизости звезду в июне, а затем проведем повторные наблюдения в декабре, то за счет перемещения Земли по своей орбите вокруг Солнца видимое положение звезды несколько сместится относительно более удаленных объектов. Чем ближе к нам объект, тем сильнее его смещение. К сожалению, для того, что находится за пределами нашей галактики, эти смещения настолько малы, что их просто невозможно заметить, поэтому для измерения расстояния до них нам нужен другой метод, основанный исключительно на свойствах излучаемого ими света.