Между тем один из разработчиков экпиротического сценария Нил Турок сформулировал совершенно новую модель Вселенной, в которой Большой взрыв является всего лишь переходной точкой. В основе этой гипотезы, разработанной Лэтамом Бойлом, Туроком и их бывшим учеником Кираном Финном, лежат аргументы симметрии из физики элементарных частиц, переведенные на космический уровень. Согласно данной гипотезе, наша Вселенная и обращенная во времени версия космоса встречаются в момент Большого взрыва, словно два конуса, соприкасающиеся вершинами. В недавней статье ученые описали это как «возникающую из ничего пару Вселенная – Антивселенная». Вполне вероятно, что конусообразная сингулярность может предусматривать собственное решение проблемы энтропии, хотя данная модель и ее детали на момент написания этой книги все еще находились на стадии разработки. Тем не менее она дает некоторые конкретные предсказания о природе темной материи, а значит, может быть проверена в ходе предстоящих экспериментов.
Итак, что же дальше? Был ли Большой взрыв уникальным событием или некой катастрофической переходной точкой? Будет ли наше существование резко прервано другой Вселенной, обрушившейся на нас, словно мухобойка из другого измерения? Позволят ли данные из области космологии или физики элементарных частиц, наконец, узнать истинную природу пространства-времени? Насколько мы близки к пониманию далекого будущего нашего космоса и какая дополнительная информация нам нужна для окончательного ответа на этот вопрос?
Чем все закончится?
Как это обычно бывает в науке, изучение космоса предполагает постоянную, непрекращающуюся работу. Однако за последние несколько десятилетий в этой области был достигнут значительный прогресс, и новые идеи возникают все чаще. В ближайшем будущем у нас появятся новые инструменты, которые позволят получить беспрецедентное представление об истории происхождения нашего космоса и предоставят новые сведения о Большом взрыве, темной материи, темной энергии и нашей возможной судьбе. В последней главе данной книги мы поговорим о том, что именно нам могут показать эти новые инструменты, а также о результатах работы на передовом крае науки, которые уже намекают, что наша Вселенная гораздо более странная, чем мы могли себе представить.
Глава 8. Будущее будущего
Насколько велики песочные часы?
И как глубок песок?
Я даже не надеялся узнать, но вот я здесь стою.
В 1969 году Мартин Рис еще не стал королевским астрономом, лордом Рисом, бароном Ладлоу. Он был постдоком-космологом в Кембриджском университете, размышлял о конце всего и опубликовал шестистраничную статью под названием «The Collapse of the Universe: An Eschatological Study» (Коллапс Вселенной: эсхатологическое исследование), которую он же впоследствии назвал «довольно забавной». Во введении Рис заявил, что хотя данные наблюдений пока не однозначны, они указывают, что «Вселенной суждено коллапсировать. Все структурные особенности космической сцены будут уничтожены в процессе этого разрушительного сжатия». Думаю, что самым забавным в своей работе Рису показалось то, что, согласно его вычислениям, в ходе грядущего коллапса звезды могут быть уничтожены фоновым излучением извне. А кого может не позабавить мысль о возгорании звезд?
Несмотря на аргументы, приведенные Рисом в пользу теории Большого сжатия, данные оставались неоднозначными на протяжении нескольких десятилетий, поэтому было неясно, является ли Вселенная замкнутой (обреченной на сжатие) или открытой (вечно расширяющейся). В 1979 году Фримен Дайсон из института перспективных исследований в Принстоне решил исследовать другую сторону вопроса, заявив: «Я не буду подробно обсуждать модель замкнутой Вселенной, поскольку сама мысль о существовании в коробке вызывает у меня приступ клаустрофобии». Модель открытой Вселенной представлялась ему более привлекательной и просторной альтернативой. В своей статье «Time Without End: Physics and Biology in an Open Universe» (Время без конца: физика и биология в открытой Вселенной) он представил количественные предсказания и проанализировал значимость идеи открытой Вселенной для человечества, разработав метод, с помощью которого будущие жители космоса, регулируя свою деятельность и периодически впадая в спячку, могли бы бесконечно продолжать свое существование в вечно расширяющемся космосе[79]. Несмотря на то что большая часть статьи была посвящена расчетам и обсуждению теоретических вопросов, во введении он довольно резко раскритиковал сообщество физиков за пренебрежение темой конца Вселенной. «Изучение далекого будущего сегодня кажется столь же сомнительным занятием, каким тридцать лет назад казалось исследование далекого прошлого», – писал он, подразумевая нехватку серьезных работ по данной теме[80]. Затем последовал его космологический призыв к оружию: «Если анализ отдаленного будущего поднимет вопросы, связанные с конечным смыслом и целью жизни, давайте исследуем их смело и без смущения».
Я не могу сказать, что космическая эсхатология наконец получила должный уровень признания как академическая дисциплина. В научной литературе по-прежнему очень редко встречаются статьи, в которых наша возможная судьба исследовалась бы с той же строгостью и глубиной, что и наше происхождение. Тем не менее, изучение обоих концов временной шкалы помогает нам по-разному исследовать принципы, лежащие в основе наших физических теорий. Помимо понимания нашего будущего или прошлого, они могут помочь нам осознать фундаментальную природу самой реальности.
«Размышления о конце Вселенной, так же как и о ее начале, позволяют вам лучше понимать происходящее в настоящий момент и проводить более точную экстраполяцию. Я считаю, что экстраполяция играет огромную роль в области фундаментальной физики», – заявила Хиранья Пейрис, космолог из университетского колледжа Лондона. В 2003 году она возглавила одну из команд, занимавшуюся интерпретацией первой детальной карты реликтового излучения, полученной с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP). С тех пор Пейрис продолжает работу на переднем крае наблюдательной космологии. В последние годы она подумывает об использовании данных наблюдений, симуляций и настольных моделей для проверки некоторых ключевых аспектов физики ранней и поздней Вселенной, таких как возникновение «пузырьковых Вселенных» на стадии космической инфляции и механика распада вакуума. При изучении всех этих вопросов она руководствуется одной и той же мотивацией. «Я считаю, что этот период требует всестороннего осмысления. Пока неясно, как то, что мы делаем сейчас, соотносится с этими периодами, но я думаю, что выполнение такой работы позволит нам кое-что узнать о фундаментальной теории».
Нам, безусловно, предстоит многому научиться. В настоящее время космология и физика элементарных частиц находятся в неловком положении, поскольку обе области в некотором смысле являются жертвами собственного успеха. Каждое направление предусматривает точное и всестороннее описание мира, которое очень хорошо работает в том смысле, что до сих пор нам не удалось найти ничего, что бы ему противоречило. Однако недостаток в том, что мы понятия не имеем, почему эти описания работают.
В настоящее время в космологии царит парадигма под названием «модель соответствия», или «модель Лямбда-CDM». Согласно ей, Вселенная состоит из четырех основных компонентов: излучения, обычной материи, темной материи (в частности, «холодной» темной материи, CDM (Cold Dark Matter)) и темной энергии в форме космологической постоянной (обозначаемой в уравнениях греческой буквой лямбда, Л). Количества всех этих компонентов точно измерены, и в настоящее время на космологическую постоянную приходится самый большой кусок космического пирога. Мы хорошо понимаем, как их соотношение менялось по мере расширения Вселенной, и у нас есть подробное описание самых ранних этапов, включая период очень быстрого расширения, называемого инфляцией. Кроме того, у нас есть проверенная теория гравитации – эйнштейновская общая теория относительности, которая в модели Лямбда-CDM считается абсолютно правильной. Учитывая, что космологическая постоянная в настоящее время играет важнейшую роль в эволюции космоса, в рамках этой парадигмы мы можем использовать наше понимание гравитации и компонентов Вселенной для предсказания будущего нашего космоса. И это неминуемо подводит нас к выводу о том, что в далеком будущем Вселенной грозит тепловая смерть.
Проблема модели соответствия заключается в абсолютной загадочности наиболее важных ее элементов – темной материи, космологической постоянной и инфляции. Мы не знаем, что такое темная материя; мы не знаем, как произошла инфляция (и действительно ли она имела место); мы не можем объяснить существование космологической постоянной и того, почему она имеет значение, противоречащее физике элементарных частиц. В то же время мы не нашли в данных ничего, что опровергало бы эту модель. У нас нет доказательств, что темная энергия каким-либо образом эволюционирует (это шло бы вразрез с космологической постоянной), ничто не говорит о том, что темную материю можно обнаружить экспериментально (правда, доказательств обратного тоже нет), и за 100 лет в ходе множества экспериментов мы ни разу не видели, чтобы поведение гравитации противоречило общей теории относительности Эйнштейна.
Эндрю Понцен, коллега и соавтор Пейрис (и мой бывший сосед по офису в Кембридже), исследует теоретические аспекты темной материи и уже представил ряд новаторских решений для объяснения формы, которую принимает темная материя в галактиках. По его словам, мы довольно хорошо разбираемся в космологии в том смысле, что наши данные вполне соответствуют модели, включающей темную материю и темную энергию, и, скорее всего, в будущем это не изменится. Нам известно количество и поведение каждого компонента Вселенной. С другой стороны, мы не знаем, как связать темную материю или темную энергию, на которые приходится 95 % массы Вселенной, с фундаментальной физикой. «В этом смысле мы вообще ничего не понимаем», – заявил он.