Что же было перед этим?
Согласно классической модели Большого взрыва, вся материя вокруг нас появилась из раскаленного огненного шара около 14 млрд лет назад. Откуда же взялся сам огненный шар? Теория инфляции показала, что он мог возникнуть из крошечного кусочка ложного вакуума после его инфляционного раздувания. Но вопрос все равно остается: откуда взялся этот первоначальный кусочек вакуума? В большинстве своем космологи недолюбливают подобные вопросы. И действительно, каков бы ни был ответ, всегда можно спросить: «А что было перед этим?» Эта логическая ситуация называется бесконечной регрессией: мы задаем и задаем вопрос о начале и не можем остановиться.
История космологии знает так называемую циклическую, или пульсирующую модель. Это отзвук классической космологии 40—50-х годов прошлого века. Правда, существуют и современные «усовершенствованные» версии. Но как бы эти версии ни были усовершенствованы, по сути своей пульсирующая модель страдает тем же недостатком, что и стандартная космологическая модель. В пульсирующей модели период расширения Вселенной сменяется периодом сжатия — это составляет полный цикл. Каждый новый цикл начинается с плотного горячего огненного шара имени Георгия Гамова. Далее все повторяется: стартует новое расширение. Но вопрос о начале опять остается, он только становится более тягостным, поскольку отодвигается и отодвигается в прошлое: должно же быть начало начал, начальный цикл, «первоцикл»? И откуда взялся огненный шар, с которого он начался?
Можно, конечно, считать Вселенную вечной. Нам известно уже, что глобальная Вселенная вечной инфляции постоянно воспроизводит себя. Она состоит из расширяющейся огромной области ложного вакуума, в которой постоянно зарождаются локальные вселенные, такие же, как наша. Инфляция никогда не прекращается. В нашей вселенной она закончилась 14 млрд лет назад, и теперь продолжается эволюция, которая хорошо описывается уравнениями ОТО. Но в масштабе глобальной Вселенной как целого инфляция будет неограниченно продолжаться в других отдаленных от нас областях.
Но тогда нелогично предполагать некоторое начало Вселенной в прошлом, поскольку она не имеет конца в будущем. Это было бы произвольным, специально введенным условием: в самом деле, зачем и на каком основании Вселенной иметь начало, если для продолжения ее существования теория не дает никаких ограничений? Так мы получаем вечную Вселенную и автоматически избавляемся от необходимости задавать вопросы о ее происхождении. Что ж, очень удобно. По принципиальному сходству это несколько напоминает модель стационарной вселенной, вроде обсуждавшейся модели Хойла с коллегами.
Очень удобно, но не очень правдоподобно! Дело в том, что есть существенные ограничения на продолжительность процесса инфляции. И эти ограничения делает сама ОТО. В будущем — нет. А вот в прошлом — как раз да! Иначе говоря, инфляция не может быть вечной в двух направлениях. Это не так давно показали рыцарь инфляционной теории и антропного образа рассуждения Алекс Виленкин и его коллеги — Эрвинд Борд и Алан Гут (тот самый, который первым предложил саму идею инфляции в космологии).
Теория относительности (и специальная, и общая: в некотором смысле их можно считать частями одной теории относительности) — это великое дело! Во-первых, потому, что она очень многообразно и надежно подтверждена экспериментами, во-вторых, потому, что она очень красиво работает в математическом отношении. Эта красота убеждает сильнее красноречия и экспериментов! Ею пользовались Хокинг и Пенроуз, чтобы доказать свою знаменитую теорему о сингулярностях. Ею воспользовалась и группа Виленкина.
Идея доказательства проста и изящна. Есть Вселенная и есть наблюдатели, которые сидят в своих галактиках. Наблюдатели равномерно рассеяны по Вселенной. Есть также космический турист, который свободно и равномерно, без толчков, рывков и ускорений движется мимо этих наблюдателей. Вселенная расширяется. Понятно, что в таком случае наблюдатели будут отдаляться друг от друга, как точки на поверхности раздувающегося воздушного шара. Далее вследствие того же расширения всякий встречный наблюдатель будет приближаться к туристу, а всякий уже пройденный наблюдатель будет от него отдаляться. Таким образом, скорость туриста относительно каждого встречного будет меньше, чем относительно каждого пройденного, то есть будет все меньше и меньше с точки зрения наблюдателей. Если же рассмотреть историю этого путешествия вспять, от будущего к прошлому, то скорость нашего туриста с точки зрения наблюдателей будет, наоборот, все больше и больше. Просто и логично, не подкопаешься. А вот теперь вступает в дело теория относительности! По мере того, как скорость туриста будет приближаться к скорости света (а быстрее он двигаться не может принципиально!), наблюдатели будут видеть, как его часы замедляются и как его время в конце концов застывает и превращается в мгновение, растянутое в вечность. Получается, что время этого путешествия, продленного в бесконечное прошлое, оказывается конечным. А это очень плохой симптом для вечной в прошлом вселенной: это значит, что некоторые истории в перспективе бесконечного прошлого не могут быть окончены. Они обрываются. А это означает, что вечная в прошлом Вселенная неполна — некоторые части историй не имеют продолжения, исчезают!
Вечная инфляция здесь никак не может помочь. Вечной инфляции, не имеющей начала в прошлом, не может быть! У Вселенной может не быть конца, но у Вселенной должно быть начало.
У Вселенной обязательно должно быть начало — это очень важный результат. Вечная инфляция, Мультиверс, Мегаверс и вся эта грандиозная картина — это будет потом! Сначала Вселенная, вся безграничная Вселенная должна начаться. Но — начаться с чего-то. Или с кого-то. Итак, Он снова выходит на сцену? Призванный теперь и результатами физико-математической науки? Неужели нам нельзя обойтись без творения? И без Творца?
В классической космологической модели начало Вселенной ассоциировалось с Большим взрывом. Правда, из такой космологии никто не мог понять, что же такое Большой взрыв. Помните, даже слова «Большой взрыв» впервые прозвучали в ироническом, а не в научном ключе, во время радиошоу. Точное понятие того, что представляет собой Большой взрыв, удалось дать только в рамках инфляционного сценария. Исходя из него, этот момент можно ассоциировать с самим молниеносным расширением (раздуванием) крошечного кусочка ложного вакуума. Можно понимать под Большим взрывом только распад ложного вакуума после инфляции, когда его громадная энергия отливается в раскаленный шар из первичных частиц и полей. Это как кому нравится. Важно, что Большой взрыв становится делом вполне понятным (и, как мы видели, вообще говоря, вовсе не уникальным, не особенным, даже заурядным). Но это никак не относится к проблеме начала Вселенной.
7 февраля 2001 года с помощью орбитальной обсерватории SOHO было подробно отслежено падение одной из комет на Солнце.
Странное обаяние квантового мира
У Вселенной должно быть начало. На этот результат есть указание уже в классической космологии в виде наличия космологической сингулярности. Здесь важно иметь в виду: сингулярностей в природе не бывает! Не бывает бесконечных энергий. Не бывает нулевых, точечных размеров. Сингулярность — это теоретическая ситуация, это просто честный отказ теории, в которой она появляется, описать действительное положение дел. Любые классические физические представления тут просто не работают. Но классическая космология базируется на ОТО — очень хорошо работающей и очень хорошо подтвержденной теории. Поэтому сингулярность — не просто ошибка, недоразумение, здесь скрывается что-то очень важное: природа как бы хочет нам что-то сообщить, но не на нашем, а на своем языке.
В сингулярности классической космологии в момент начала Вселенной плотность энергии становится бесконечной. А это значит, что реальная Вселенная обладала тогда очень большой плотностью энергии. Еще размер Вселенной здесь стягивается в точку. Это значит, что действительная Вселенная была тогда очень-очень маленькой. А все это вместе означает, что классическая теория должна уступить место неклассической — квантовой теории. Именно она только и может работать в мире очень-очень больших энергий и очень-очень малых размеров. Квантовая теория — другая великая, фундаментальная теория. Вместе с теорией относительности они представляют собой базис современной физической науки. Квантовая теория незримо присутствовала во всем нашем предыдущем повествовании. Элементарные частицы, поля, вакуум, ложный и истинный, но также звезды, черные дыры, даже гравитация — все это ее объекты. Теперь она добралась и до Вселенной в целом — теория самого малого стала незаменимым средством для понимания самого большого.
Естественные науки иногда называют точными. Они действительно точны. Почему? Потому что все величины, характеризующие физическое состояние чего бы то ни было, можно измерить со сколь угодно высокой точностью. Дело только в том, чтобы иметь все более и более точные приборы. Так считает классическая наука — на уверенности в этом она держится. Еще бы! Ведь из этого следует, что состояние любой физической системы, любого объекта в какой угодно момент в будущем можно однозначно определить, зная состояние системы в прошлом. Это называется абсолютным детерминизмом. О том, что принцип детерминизма в науке действует неукоснительно, мы знаем даже из повседневного опыта. Так обстоит дело в любой классической теории. Даже в ОТО, поскольку это тоже классическая теория.
Но в квантовой теории все по-другому. Здесь невозможно одновременно измерить некоторые важнейшие характеристики объектов и систем со сколь угодно высокой точностью. Если точно знаешь одно, то абсолютно ничего не можешь сказать о другом. Это так называемый принцип неопределенности Вернера Гейзенберга. Согласно принципу неопределенности, сумма неточностей, неизбежных при одновременном определении положения и количества движения объекта, имеет некое постоянное значение — она равна постоянной Планка. Это величина квантового масштаба: 1,054 × 10−34 Дж·с. Другая пара «совместно неопределенных» величин, очень важная для космологии, — энергия физической системы и время, где система этой энергией может располагать.
Интересно, что соотношение неопределенностей не является недостатком теории. Это сама реальность, в самой сердцевине своей не дает себя определить абсолютно однозначно и точно. Она всегда имеет тайные пути, чтобы уйти из-под любого точного описания. В квантовом мире много диковин. Населяющие его вещи дурачат нас как хотят. Они нарушают законы сохранения, позволяют себе иметь взаимоисключающие свойства, проявляя то одно, то другое, когда им выгодно. Они могут вдруг возникнуть в совершенной пустоте, показывая, что пустоты-то на самом деле и не бывает. Здесь происходят коллизии, запрещенные физикой. Здесь будущее не определяется однозначно прошлым. Здесь нет ни капли здравого смысла.
Вот шарик, катается в ямке взад-вперед. Представим для определенности, что трения нет, никакие силы на него не действуют, он движется совершенно свободно и никогда не останавливается. За высоким холмом — другая ямка. Шарик никак не может попасть в нее — у него слишком мало энергии, чтобы перепрыгнуть холм-барьер. С точки зрения обычной физики это невозможно. Но в масштабах порядка планковской постоянной шарик может оказаться за барьером. Как это примерно происходит? Барьер почти всегда бывает энергетический — это непреодолимый уровень энергии. Но в квантовом мире действует соотношение неопределенностей! Поэтому шарик, катавшийся в ямке, вдруг может как бы размазаться по всему пространству (конечно, это будет уже не «шарик») и «просочиться» или, как говорят физики, тунеллировать через барьер. Он вновь явится шариком на другой стороне холма. Несколько утрированное, но в целом вполне адекватное описание ситуации, так сказать, «в квантовом свете».
Капли дождя — не совсем капли. Они не «каплевидны»: во время падения каждая представляет собой практически идеальную сферу.
Когда Вселенной еще не было
Если Вселенная в пору своего рождения очень мала (а это вполне естественно), то здесь вступают в свои полные права законы квантового мира. Возникновение Вселенной, во всяком случае, должно быть квантовым процессом. Это дает надежду наконец прояснить, что же скрывается за космологической сингулярностью, что она означает. Сингулярность ведь, собственно, и появляется как своеобразная реакция природы на то, что мы хотим описать эволюцию Вселенной от начала и до конца классическим, то есть однозначным и полностью детерминированным образом.
Первая квантово-космологическая «безумная идея» пришла в голову Эдварду Трайону из Хантеровского колледжа при Университете Нью-Йорка. Это было в далеком 1970 году на одном из физических семинаров. Рассказывают, что это было что-то вроде озарения. Доклад был посвящен совершенно другой теме, и во время какой-то паузы Трайон вдруг выкрикнул: «Может быть, Вселенная — это вакуумная флуктуация?!» По сути Трайон был прав. Он понимал (благодаря квантовой теории), что вакуум не пуст и никогда не может быть неподвижным и пустым! Все потому, что действует соотношение неопределенностей. Поскольку в квантовых масштабах всегда есть взаимная неточность в энергии и во времени, в совершенно пустом пространстве (напрочь лишенном какого бы то ни было присутствия вещества) могут на короткое время вдруг появляться элементарные частицы. Это особые частицы. Они есть своего рода «привидения» квантового мира. Но они — не абсолютное «ничто». Они наделены существованием, только каким-то странным: их энергия, их время как бы взяты взаймы у тотальной квантовой неопределенности природы. Вся их жизнь — мимолетная вспышка энергии в результате неустранимой неопределенности в ее значениях. Физики называют эти частицы «виртуальными», а событие их появления — квантовой флуктуацией. А что, если Вселенная рождается, как виртуальная частица, из вакуума? Что, если наша Вселенная — просто квантовая флуктуация?
Коллеги сочли заявление Трайона шуткой. Но он не шутил. Его предположение основывалось на том, что энергия замкнутой вселенной всегда равна нулю. Это хорошо известный математический факт. Энергия материи положительна, гравитационная энергия — отрицательна, и оказывается, что в замкнутой вселенной их вклады в точности сокращаются. Таким образом, если вселенная с суммарной энергией, равной нулю, рождается как квантовая флуктуация, то для ее рождения ничего не потребуется, ничего «брать взаймы» не нужно. Тогда время жизни подобной флуктуации может быть сколь угодно большим.
У трайоновской теории возникновения мира была одна, так сказать, «логическая» проблема. Дело в том, что эта теория по существу не объясняет, откуда произошла Вселенная. В принципе, объединив средства квантовой теории поля и ОТО, можно последовательно описать, как крошечная замкнутая вселенная отделяется от уже существующей области пространства. Это сделал в 1973 году харьковский физик Петр Фомин (в статье Трайона того же года этого сделано не было). Возможно, и сама идея возникла впервые именно у Фомина — он назвал это гравитационной неустойчивостью. Статья Трайона была опубликована в престижнейшем физическом журнале «Nature». А Петр Фомин не имел возможности попасть в это издание и опубликовал свою работу в УССР.
Но независимо от того, кто был первым, идея такого начала Вселенной страдает все той же «болезнью» регрессии. Действительно, Вселенная возникает как квантовая флуктуация вакуума, пустого пространства. Но откуда взялось само пространство? Мы ведь ведем речь о начале всей Вселенной!
Кроме того, непонятно, как родившаяся вселенная может быть такой большой. Ведь новорожденная вселенная должна быть планковских размеров — примерно 10–33 см. При таком размере вселенная сразу же после появления моментально сожмется обратно, в сингулярность — сколлапсирует! Никакой большой вселенной, таким образом, не получится. В принципе, поскольку полная энергия замкнутой вселенной равна точно нулю, она может родиться сразу большой. Но вероятность этого события примерно такая же, как у того, что стая галдящих под вашим окном воробьев вдруг прочирикает от начала до конца пятую симфонию Бетховена.
Размышляя о том, может ли вселенная возникнуть как флуктуация или гравитационная неустойчивость вакуума, старший научный сотрудник Харьковского физико-технического института Петр Фомин не знал, что в том же городе Харькове живет один удивительно способный и скромный молодой человек, которому суждено в недалеком будущем войти в тройку самых выдающихся космологов современности. Молодого человека звали Александр Виленкин. Его отец, Владимир Виленкин, был доцентом геолого-географического факультета Харьковского университета. Когда Трайон шокировал коллег странной идеей о Вселенной как квантовой флуктуации, на другом конце Земли, в Харькове, Виленкин-младший оканчивал университет, который двадцатью годами раньше окончил и Петр Фомин. Но космологией в Харькове заниматься было негде, а ничем другим Александр Виленкин заниматься не хотел. Будущая звезда космологической науки работал сторожем в кафе, даже успел пройти службу в рядах советской армии. Но при нем всегда были ручка и блокнот — это все, что ему было нужно. И вот, наконец, справедливость торжествует, все становится на свои места. Большой вопрос, кто кому оказал честь, но в 1976 году Александр Виленкин эмигрирует в США, а через год сдает экзамены в Бостонский университет, где получает самый высокий балл за всю его историю. Он становится доктором наук, и вскоре его приглашают на должность профессора в космологический институт Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс, где сейчас он занимает пост директора.
Помните, как шарик «просачивался» сквозь энергетический холм? Аналогично тому, как шарик не может «перепрыгнуть» холм, вселенная с точки зрения классической космологии никак не может преодолеть барьер между «планковскими» размерами и макроскопическими классическими размерами, необходимыми для пуска инфляции. Но Алекс Виленкин показал, что вселенная может тунеллировать под этим барьером. Это удивительная и очень «философски выдержанная» идея, хотя речь идет о чистой физике.
Важно, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Более того, вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль. Она туннелирует из нулевого размера в состояние с конечным радиусом и начинающей инфляционно расширяться. Радиус новорожденной вселенной определяется плотностью энергии вакуума: чем выше плотность, тем меньше радиус. Для вакуума Великого объединения это одна стотриллионная сантиметра (10–14 см). Вследствие инфляции эта крошечная вселенная растет с ошеломительной скоростью и за малую долю секунды намного превосходит размер наблюдаемой сегодня области.
Конечно, далеко не всем вселенным так повезет. Будет очень много вселенных-неудачниц, живущих лишь неуловимое мгновение; порождение соотношения неопределенностей подобны виртуальным частицам в пустоте. Но некоторые вселенные сумеют стать большими.
Важно, что никакого исходного состояния вселенной не требуется! Никаких сущностей в начале не должно быть.
Итак, вселенная рождается из ничего?!
Тут проблема становится почти философской. Что, в самом деле, означает «ничто»? И если в результате появляется вполне реальное «нечто», то почему и зачем «ничто» тунеллирует?
Начальное состояние, предшествующее туннелированию, — это вселенная с нулевым радиусом, то есть попросту ее отсутствие. В этом очень странном состоянии нет материи, нет пространства. Нет также и времени.
Время ведь не может просто длиться! Время имеет смысл, только если «где-то» происходит «что-то». Как мы понимаем, что время течет? Мы используем регулярные, периодические процессы: собственные шаги, вращение Земли и т. д. Когда идут часы — это тоже периодический процесс: часы тикают, стрелка с определенной регулярностью проходит деления циферблата. Время — как точно выразился еще в XVIII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц, — существует в порядке следования вещей. Но в том-то и дело: всякое движение имеет смысл, только если вещам есть где находиться, если вещи помещены и могут расположиться! Ну и, конечно, если есть сами вещи (хотя тут большой вопрос, поскольку что есть вещи, как не их протяженность, пространственное определение?). Словом, невозможно определить время в отсутствие пространства и материи. Нам очень трудно это представить и понять, поскольку все наши самые простые и естественные реакции и наша логика основываются на классических представлениях о пространстве и времени. Как пишет Алекс Виленкин, невозможно представить себя сидящим посреди «ничего» и ожидающим материализации вселенной, поскольку нет ни пространства, чтобы в нем сидеть, ни времени, чтобы ожидать. Здесь на помощь снова приходит квантовая теория, хотя картина, которая получается в результате, превосходит всякие фантазии.
«Ничто» можно ассоциировать с тем, что космологи называют «пространственно-временной пеной». В планковских масштабах становятся существенными не только квантовые флуктуации энергии вакуума, но и флуктуации самого пространства-времени. Пространство и время перестают быть непрерывной сплошной тканью. Сама геометрия пространства-времени спонтанно меняется каждые 10–43 с. Понятия вроде «место», «перемещение», «прошлое», «настоящее», «будущее» и многие другие, кажущиеся нам естественными, просто теряют смысл. Более того, можно сказать, что пространство и время не действительны, а виртуальны, как виртуальные частицы. Это значит, что никакого пространства и времени просто нет, они в точном смысле нереальны — «невещны», это чистое «ничто»; они есть просто проявление принципа неопределенностей, пена вероятностей того, что пространство-время обладает той или иной метрикой, топологией, количеством измерений и т. д.
И вместе с тем состояние «ничто» нельзя определить как абсолютное небытие. Туннелирование описывается законами квантовой механики. Объяснить это довольно сложно… Законы физики должны существовать, несмотря на отсутствие Вселенной. Однако сами законы квантовой механики таковы, что в планковских масштабах как бы сливаются с собственными проявлениями, с тем, что ими управляется — законы и реалии, которые им подчиняются, становятся неразличимыми. Соотношение неопределенностей — хороший пример. Это соотношение вероятностей. Но можно сказать, что только эти вероятности и существуют на этапе возникновения Вселенной как упомянутая пространственно-временная пена.
Если до возникновения Вселенной в описанном выше смысле ничего не было, тогда что же вызвало туннелирование? Как это ни удивительно, ответ состоит в том, что никакой причины для этого не нужно. Почему? Да потому, что вместе с другими понятиями теряет смысл и понятие причины, причинности. В классической физике причинность — краеугольный камень. Можно точно определить, что случится в каждый следующий момент времени, исходя из случившегося в прошлом. Однако в квантовой механике поведение физического объекта по сути непредсказуемо, и некоторые квантовые процессы совершенно беспричинны. Большинство наших представлений неразрывно связаны с пространством и временем, так что мысленную картину Вселенной, возникающей из ничего, создать действительно непросто.
Здесь уместно вспомнить одну коллизию из истории стихосложения. Английский поэт XVIII века Александр Поуп в благоговении написал следующие строки:
Кромешной тьмой был мир окутан,
И в тайны естества наш взор не проникал,
Но Бог сказал: «Да будет Ньютон!»
И свет над миром воссиял.
В XX веке на хвалебную оду Поупа другой англичанин, Джон Сквайр, тоже поэт, ответил эпиграммой:
Но сатана недолго ждал реванша.
Пришел Эйнштейн — и стало все, как раньше.
Сингулярная точка с бесконечной кривизной в классической фридмановской модели превращается в квантово-вероятностное «ничто», из которого рождается Вселенная. Вы можете сказать: ну прогресс так прогресс! Было непонятно, теперь стало… совсем непонятно! Однако разница очень велика. Если в первом случае речь шла по существу о признании наукой собственного бессилия перед проблемой возникновения Вселенной, то во втором случае мы имеем последовательное физико-математическое описание с развернутой интерпретацией. Ну а что до понятности… Вспомним еще раз определение Нильса Бора — а именно он вместе с Вернером Гейзенбергом, собственно, и придумал квантовую теорию: идея в современной физике должна быть совершенно безумной, чтобы оказаться верной. И потом, было бы странно, если бы такие вещи, как рождение Вселенной и начало мира, выглядели простыми, легкими и понятными. Не правда ли?
Невесомость негативно влияет на состояние здоровья человека: жидкости в организме перемещаются вверх, кости начинают интенсивно терять кальций. Лица людей становятся одутловатыми, также происходит закупорка носа и нарушения в функционировании кишечника.
Суперармагеддон
А что же случится с нашей областью Вселенной и вообще со Вселенной в будущем? Каким оно будет?
Теория вечной инфляции говорит нам, что Вселенная как целое будет существовать вечно, но наша местная область — наблюдаемая Вселенная — вполне может иметь конец. Этот вопрос был в центре внимания космологов на протяжении большей части XX столетия, и за это время их представления о конце света несколько раз менялись.
Классическая космологическая модель, появившаяся с легкой руки Александра Фридмана, делает сценарии конца нашей Вселенной вполне однозначными. Перспективы будущего нашего космоса основаны на том, является ли Вселенная открытой, плоской или замкнутой. Открытая и плоская Вселенная будут расширяться вечно, тогда как замкнутая переживет повторное сжатие по истечении определенного времени.
Вселенная подвергнется коллапсу и большому сжатию, если ее плотность больше некоторого критического значения, и продолжит вечно расширяться в противном случае. Допустим, расширение Вселенной будет постепенно замедляться и затем сменится сжатием. Сначала сжатие будет медленным, потом все ускоряющимся. Галактики станут сходиться все ближе, пока не сольются в огромный конгломерат звезд. Небо будет делаться все ярче, но не из-за звезд — все они, скорее всего, умрут к тому времени, — а из-за растущей интенсивности космического микроволнового излучения. Оно разогреет остатки звезд и планет до неприятно высоких температур. Жить в таких условиях станет трудно, как ракам, которых варят, чтобы подать к пиву. Наконец, звезды разрушатся в столкновениях друг с другом или испарятся под действием мощного теплового излучения. Образовавшийся горячий огненный шар будет похож на первичный огненный шар Гамова. Но теперь он окажется сжимающимся, а не расширяющимся. Еще одно отличие варианта Гамова в том, что сжимающийся огненный шар сильно неоднороден. Сначала более плотные области сожмутся в черные дыры, которые затем будут объединяться и укрупняться, пока все не объединятся в одном большом сжатии, которое устремится к сингулярности.
В противоположном варианте — при плотности меньше критической — гравитационное притяжение вещества окажется слишком слабым, чтобы остановить расширение и превратить его в сжатие. Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Через триллион лет все звезды исчерпают свое ядерное топливо, и галактики превратятся в скопища холодных звездных остатков — белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Вселенная станет совершенно темной, с призрачными галактиками, разлетающимися прочь в пустоте все возрастающих размеров. Такое положение дел сохранится по меньшей мере 1031 лет, но в конце концов нуклоны, из которых состоят звездные остатки, распадутся, превратившись в легкие частицы — позитроны, электроны и нейтрино. Электроны и позитроны аннигилируют в фотоны, и мертвые звезды медленно растворятся.
Даже черные дыры не существуют вечно. Согласно знаменитой догадке Стивена Хокинга, из них должна происходить утечка излучения, а значит, они постепенно потеряют свою массу (это известный всем физикам эффект «испарения» черных дыр). Так или иначе, менее чем через гугол лет все знакомые нам структуры во Вселенной перестанут существовать. Звезды, галактики и их скопления исчезнут без следа, оставив после себя лишь становящуюся все более разреженной смесь нейтрино и излучения.
Для того чтобы определиться с судьбой Вселенной, необходимо измерить фактическое значение ее плотности. Более полувека астрономы пытались это сделать. Однако природа не хотела раскрывать свои долгосрочные планы. Отношение реальной плотности Вселенной к критической плотности всякий раз удивительным образом оказывалось близким к 1, а точности измерений не хватало, чтобы все же определить, больше оно или меньше.
Большое сжатие и неограниченное расширение казались равновероятными. Однако важнейшая космологическая идея последнего времени — идея инфляции — дает на этот счет весьма определенные предсказания. Во время инфляции, как мы уже знаем, плотность Вселенной как раз и должна становиться предельно близкой к критической. Говоря по— другому, те, кого мучают кошмары по поводу скорого большого сжатия, могут расслабиться. Конец будет медленным и скучным: холодный остаток Солнца будет целые гуголы лет висеть в пустоте, дожидаясь, пока распадутся все его нуклоны.
Если некая Вселенная имеет критическую плотность материи, то процесс образования структур растягивается на огромный отрезок времени. Поэтому в такой Вселенной и могут образоваться крупные структуры: сначала возникают галактики, затем они сбиваются в скопления, а те впоследствии образуют сверхскопления. Между прочим, именно в этом случае Вселенная обладает нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Хотя до полного понимания жизни и ее эволюции нам чрезвычайно далеко, относительно определенным является одно: на это уходит много времени. Появление человека заняло на нашей планете около 4 млрд лет, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная в целом должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развиться жизни, по крайней мере, в случае биологии, хоть сколько-нибудь напоминающей нашу.
Но если средняя плотность в наблюдаемой части Вселенной выше критической, то примерно через сотню-другую триллионов лет вся эта область превратится в одно грандиозное и невообразимое суперсверхскопление. К этому времени все звезды уже прогорят, а все наблюдатели… все наблюдатели, вероятно, вымрут. Но образование структур будет продолжаться, охватывая все большие и большие масштабы. Оно остановится, только когда космические структуры исчезнут из-за распада нуклонов и испарения черных дыр.
Другое изменение сценария суперармагеддона, связанное с инфляцией, состоит в том, что конец Вселенной в целом никогда не наступит. Инфляция вечна. В иных частях инфлирующего пространства-времени будут формироваться бесчисленные области, похожие на нашу, а их обитатели будут пытаться понять, как все это началось и чем закончится.
Фридмановская взаимосвязь между плотностью Вселенной и ее окончательной судьбой работает, только если другая очень важная космологическая плотность — энергии вакуума (космологическая постоянная) — равна нулю. Это было стандартным предположением в науке о Вселенной в целом до 1998 года. Но когда были обнаружены свидетельства того, что это не так, все прежние предсказания будущего Вселенной пришлось несколько пересмотреть. Как уже отмечалось, расширение Вселенной начинает ускоряться, как только плотность вещества становится ниже, чем у вакуума. В этот момент всякое гравитационное «стайкование» галактик и скоплений останавливается. Скопления галактик, которые уже связаны друг с другом гравитационно, сохраняются, но более рыхлые группы рассеиваются отталкивающей гравитацией вакуума.
Наш Млечный Путь связан с так называемой Местной группой, включающей в себя гигантскую спиральную галактику в Андромеде и около 20 карликовых галактик. Туманность Андромеды держит курс на столкновение с Млечным Путем; они сольются примерно через 10 млрд лет. Галактики за пределами Местной группы, двигаясь все быстрее и быстрее, улетят прочь. Одна за другой они будут пересекать наш горизонт и исчезать из виду. Этот процесс завершится через несколько сотен миллиардов лет. В ту отдаленную эпоху астрономия станет очень скучным делом. Кроме гигантской галактики, образовавшейся после слияния Туманности Андромеды с ее карликовыми спутниками, на небе не будет практически ничего. Так что астрономы потеряют работу, ибо ничего интересного на небе уже не увидят — только черная пустота за пределами суперметагалактики.
Но есть еще теория суперструн и есть «суперструнный» ландшафт. Согласно теории супеструн, которую Джозеф Полчински и Леонард Сасскинд объединили с теорией инфляции, в классическом смысле наш вакуум стабилен и имеет постоянную плотность энергии, но квантово-механически он может распадаться, образуя пузырьки. Те из них, в которых вакуум имеет отрицательную энергию, однажды появившись, будут, как мы уже знаем, расширяться с почти такой же скоростью, с какой движется свет. В таком случае наша Вселенная когда-нибудь может натолкнуться на границу такого раздувающегося пузыря — иногда ее называют доменной стенкой. Доменная стенка, возможно, надвигается на нас прямо сейчас! Это будет апокалипсис, как говорится, по определению. Мы ничего не узнаем о ее подходе. Она движется так быстро, что свет не намного ее опережает. Приход стенки приведет к полному уничтожению нашего мира. Не только сколько-нибудь сложные формы, но и элементарные частицы, составляющие звезды, планеты и наши тела, не смогут существовать в новом типе вакуума. Все знакомые объекты, любые мыслимые конгломераты мгновенно разрушатся и превратятся в сгустки какой-то неизвестной нам материи.
Правда, есть в этом сценарии конца и нечто очень обнадеживающее. Темп зарождения пузырьков может быть очень низким, поэтому не исключено, что пройдут гуголы лет, пока на наши окрестности надвинется стенка пузыря. Однако есть модели (модели со скалярным полем — имени Андрея Линде), где время апокалипсиса зависит от энергетического ландшафта, описывающего вакуум скалярного поля, и встреча с доменной стенкой может наступить довольно скоро: всего, например, через 20 млрд лет.
Отработавшие положенный срок космические спутники отправляют на специально выделенные для этого орбиты. Количество спутников-мертвецов, летающих вокруг Земли, превышает 8000.
Две «коперниканские революции»
До эпохи Возрождения (XIV–XV века) в астрономии господствовало представление, что Земля является центром Вселенной, а Солнце, звезды и планеты вращаются вокруг нее. Конечно, представление это было связано с христианской религией, такой распространенной и такой значимой в то далекое время. В христианской традиции человек — это уникальное существо. Человек выделен и незауряден. Земля, место обитания человека, ощущалось и мыслилось как центр творения. В этом суть геоцентрической картины мира.
Вопреки этой картине все чаще и чаще высказывались утверждения, что в центре находится не Земля, а Солнце. Земля вместе со звездами и планетами вращается вокруг Солнца. Обобщил и представил этот взгляд на суд образованной общественности польский ученый Николай Коперник.
Переход от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира был связан с точным описанием формы планетарных орбит (это сделал Иоганн Кеплер). Старая геоцентрическая картина мира также могла объяснить новые наблюдения, но только за счет все большего и большего усложнения.
Но что же действительно случилось в результате перехода от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира? Это была не просто замена в теории одного небесного тела другим. На современном научном языке говорят, что произошел сдвиг парадигмы. Это значит, что изменились самые фундаментальные взгляды, мироощущение, духовные навыки, культурные и даже психологические реакции людей!
Переход к гелиоцентрической системе мира означал многое, гораздо большее, чем просто замена одной теории другой. В самом деле, после пребывания в центре конечного мира люди обнаружили себя на одной из малых планет в бесконечном космосе. Вселенная оказалась не «домом», а бескрайней леденящей душу пустотой, не замечающей человека, недружелюбной и чужой. «Вечное молчание этих бесконечных пространств пугает меня», — так писал об этом Блез Паскаль.
То была первая «коперниканская революция». Гениальный и наделенный пронзительной интуицией Паскаль предчувствовал последствия такого изменения взгляда на мироздание. Эти последствия виделись ему катастрофой самоощущения человека. Ничтожная, исчезающая фигурка, затерянная в равнодушной холодной пустоте. Но того, во что превратилась гелиоцентрическая идея Коперника в руках науки, не мог вообразить даже Паскаль. Мир невообразимо расширился. Со временем стало окончательно ясно, что Солнце — одна из многих сотен миллиардов звезд, населяющих нашу галактику, причем далеко не самая примечательная. В звездной номенклатуре оно числится заурядным желтым карликом класса G. Да и лежит к тому же отнюдь не в центре, как считал, например, Уильям Гершель, а на периферии Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов — в 26 тыс. световых лет от центра галактики (примерно 8 килопарсек).
Наглядно вообразить эти подавляющие просторы весьма нелегко. Если мы уменьшим всю Солнечную систему до размеров песчинки, то ближайшая звезда Проксима Центавра окажется в этом масштабе на расстоянии 1 м, а расстояние до центра Млечного Пути составит почти 9 км. Если же на место нашего Солнца поместить бильярдный шар, размеры Млечного Пути будут равняться примерно 60 млн км. Чтобы представить себе эти соотношения, вспомним самые большие земные расстояния. Скажем, совершая кругосветное путешествие по экватору, мы должны будем преодолеть «всего-навсего» 40 200 километров.
Только на расстояниях порядка многих сотен миллионов световых лет Вселенную можно рассматривать как сравнительно однородную структуру, которая содержит десятки миллиардов галактик. Современная астрофизика располагает высокоточной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения в самом широком диапазоне волн: от метровых радиоволн до гамма-лучей. Помимо традиционных оптических телескопов широко применяются инфракрасные и радиотелескопы, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Бурно развивается нейтринная астрономия. Ученым стали доступны невообразимые расстояния порядка 10–12 млрд световых лет, то есть мы можем рассматривать свет, дошедший до нас из тех времен, когда мир был еще молод и свеж, а первые галактики едва успели сформироваться. Таким образом, размеры наблюдаемой части Вселенной можно оценить примерно в 6 тыс. мегапарсек.
Нам уже известно, что взгляд на далекие звезды или галактики — это «машина времени». Мы видим далекое-далекое прошлое Вселенной. Например, мы видим наше Солнце не таким, какое оно в данный момент, а таким, каким оно было примерно 8 мин назад — столько времени его свет «летит» к нам. И если Солнце погаснет, мы узнаем об этом не сразу, но еще целых 8 мин будем наслаждаться жизнью и находиться в полном неведении о катастрофическом для нас событии. Если до Сириуса около 9 световых лет, мы видим его таким, каким он был 9 световых лет назад. Лучи красного гиганта Бетельгейзе из созвездия Ориона пустились в дорогу еще в Смутное время, когда на Руси правил Борис Годунов. Шаровые звездные скопления в центре галактики вернут нас в последний ледниковый период, а свет туманности Андромеды был испущен в те времена, когда наши обезьяноподобные предки рычали и только учились ходить на двух ногах. Самые далекие объекты нашей Вселенной посылают свет из эпохи, удаленной в прошлое на многие миллиарды лет. Это время называется временем последнего рассеяния, как мы знаем. Солнечной системы и планеты Земля тогда еще не было и в помине. Знаем мы это благодаря Эйнштейну и его ОТО: свет распространяется с конечной скоростью, и быстрее ничего в мире двигаться не может.
Чтобы оценить размеры наблюдаемой части Вселенной, или Метагалактики, мысленно уменьшим земную орбиту (300 млн км в диаметре) до размеров атома по Нильсу Бору (примерно 10–8 см). Мы должны здесь остановиться и отдать себе отчет, насколько уменьшены реальные масштабы. Три сотни миллионов километров и стомиллионная доля сантиметра! Осознали? Вот теперь можно продолжать. В таком случае, ближайшая звезда разместится на расстоянии в 0,014 мм. Это очень много! Ведь мы сразу «прыгаем» от атомных к макроскопическим расстояниям, к расстояниям, которые можем непосредственно ощутить. До центра галактики будет целых 10 см, а поперечник Млечного Пути окажется равным 35 см. Галактика Андромеды отступит на целых 6 м, а расстояние до центральной части скопления галактик в созвездии Девы, куда входит наша Местная группа, будет порядка 120 м. Радиогалактика Лебедь А (до нее 600 млн световых лет) «отдалится» в этом масштабе на 2,5 км, а до далекой радиогалактики 3С 295 придется добираться 25 км! А теперь вспомним, в каком масштабе получены эти 25 км: одна стомиллионная часть сантиметра — это 300 млн км. А 25 км?! Простая пропорция. Вот сказано же: многие знания — многие печали! Может, лучше бы нам вообще не учиться в школе?
Но этого мало! Невероятное пространство, которое так огромно, что не с чем и сравнить, как оказалось, еще и увеличивается. Вселенная может расширяться. В этом суть стандартной космологической модели, подтвержденной знаменитым открытием Эдвина Хаббла.
Наше положение децентрировалось, вокруг нас гигантские, не соразмерные ничему знакомому нам просторы (да и мысль часто отказывается их объять), есть много галактик, есть скопления галактик, есть сверхскопления… Но все же… Все же что-то в этой картине поддерживает веру в нашу космическую исключительность, в нашу незаурядность. Что-то изначальное и существенное.
Пока мы находимся в рамках стандартной космологической модели, речь все еще идет об одной-единственной Вселенной. Она такая одна, и других нет. Она — все, что у нас есть. С другой стороны, мы уже знаем: для того, чтобы была в принципе возможна жизнь нашего типа, многие фундаментальные величины должны быть подобраны и согласованы очень-очень точно, невероятно точно! Если хоть какая-то фундаментальная постоянная (характеристики элементарных частиц, соотношение силы основных взаимодействий и т. п.) немного сдвинется в своем значении, человек как явление просто не будет иметь место. Но мы есть! А не значит ли это, что в этой единственной Вселенной все выстроено именно для этого — для того, чтобы мы были возможны?
Это какой-то мистический результат. Неизвестно почему, но выходит, что с самого начала проект «всего сущего» с необходимостью направлен на обеспечение нашего существования. Неизвестно, но очень лестно. Человек, как и прежде, оказывается привилегированным существом. Может быть, даже более привилегированным: наше пространственное место не в центре мира, но вся Вселенная как бы нормирует свое бытие на нас. А быть может, кто-то специально заботится о тонкой нормировке мироздания на человека? Наши представления об устройстве мира стали более сложными и серьезными — мы не заставляем теперь Солнце ходить вокруг нас. Но, кажется, уже точная математическая наука, а не вера убеждает нас в том, что человек — любимое творение Божье.
Так, да не так. Точнее, так полагали каких-то 30 лет назад. Но сегодня современная космологическая наука доводит принцип Коперника до предела. Нравится это нам или нет, но нашим авансам, данным самим себе, нашим надеждам на то, что человек — особенное существо в мироздании, в природе, наивному детству человечества, по— видимому, приходит конец. Так происходит вторая коперниканская революция. Появляется теория вечной инфляции, появляется теория суперструн. И они разом сдувают мистический, потусторонний аромат с факта человеческого присутствия. Как выразился один философ, «соскабливают образ человека с бесконечности».
Вместо одной-единственной Вселенной с тонкой настройкой на возможность человеческого присутствия, непрерывно, вот в эту минуту, вследствие инфляции рождается огромное число вселенных. Вариантов того, какой быть той или иной вселенной, вариантов ее судьбы и пути невообразимо много — столько, сколько типов физического вакуума возможно в ландшафте теории суперструн. Некоторые говорят, что их около 101000. Это гугол в 10-й степени! Помните гугол из предыдущих глав? Нужно перемножить гугол 10 раз. Начните с того, чтобы умножить гугол на гугол. Это значит взять гугол гугол раз.
Молнии — не уникальное для Земли явление. Например, их регулярно наблюдают на Марсе и на Сатурне. Но до недавнего времени не было известно, что молнии могут возникать не только в атмосфере планет, но и прямо посреди космического пространства, причем мощность таких разрядов равняется триллионам земных молний.
Многие из этих миров так и останутся пузырьком пространственно-временной пены планковского размера. Чуть только возникнув, они сколлапсируют. Многие в мгновение раздуются вследствие инфляции и станут очень большими. Но наборы фундаментальных постоянных и «внутренняя физика» в них будет такой, что их никто не увидит, поскольку в них никто принципиально не сможет жить. Однако некоторые отдельные пузырьки в этом грандиозном вакуумном ландшафте разовьются во вселенные, подобные нашей. Набор значений фундаментальных постоянных в них будет таким, что в них станет возможным возникновение живых и разумных существ. Никакого особого статуса человека в такой картине мира нет. Мы можем доказать собственную незаурядность и значимость только тем, что мы лично делаем и как мы лично живем.
Внутри нашего большого дома и за его пределами
Лишь в середине нынешнего века стало ясно, что галактика Млечный Путь — это огромный рукав спиральной галактики, гигантской звездной системы, одной из множества спиральных галактик. Диаметр Млечного Пути — 100 тыс. световых лет.
Количество составляющих его звезд превышает 100 миллиардов.
Конечно, убедиться в том, что Млечный Путь является частью колоссальной спирали, можно, только если повернуть ее «лицом» к наблюдателю. Сбоку наша галактика будет выглядеть чем-то вроде лупы или сложенных краями контактных линз.
Что же в ней есть? Ну звезды, естественно, скажете вы, и не ошибетесь. Да, в основном звезды. Но не только. Несколько процентов общей галактической массы Млечного Пути составляют межзвездный газ и галактическая пыль. На некотором отдалении от галактического диска разбросано множество звездных шаровых скоплений — своего рода спутников галактики. Каждое такое скопление содержит до миллиона звезд. Наконец, сравнительно недавно выяснилось, что наша галактика имеет еще и корону, которая простирается на расстояние в несколько десятков диаметров диска.
Диск галактики весь целиком вращается — наподобие тарелки. Вращение галактики было открыто в 1925 году нидерландским астрономом Яном Хендриком Оортом. Он же определил и положение ее центра, находящегося в направлении созвездия Стрельца. Расстояние до него составляет приблизительно 30 тыс. световых лет. Изучая относительное движение звезд, Оорт установил также, что Солнце движется и вокруг центра галактики по орбите. Современное значение его скорости — 250 км/с. А полный оборот вокруг центра совершается примерно за 2,2 × 108 (220 млн) лет.
Для того чтобы все это было именно так, центр галактики должен иметь исполинскую массу — порядка 100 млрд масс Солнца! В центре ядра галактики находится источник огромной энергии — в 100 млн солнц.
Почему же мы не видим ни спиральных рукавов, ни впечатляющего массивного ядра, когда смотрим на небо? Ответ довольно прост: потому что мы наблюдаем нашу галактику «изнутри», мы ведь находимся в ней, а не смотрим откуда-то со стороны. Да, Млечный Путь — наш дом.
А если все-таки отважиться и выйти на космический простор? Вселенная не исчерпывается галактикой Млечный Путь. Покинь мы ее пределы, перед нами открылось бы необъятное пустое пространство, непроницаемая чернота, лишенная сколько-нибудь заметных объектов. Только на расстоянии более 150 тыс. световых лет от нашего звездного острова мы бы обнаружили два клочковатых туманных образования неправильной формы — Большое и Малое Магеллановы облака. Они хорошо видны на небе южного полушария Земли в виде двух белесоватых пятен и выглядят как изолированные фрагменты Млечного Пути. Впервые их описал один из участников кругосветного плавания Фернана Магеллана. Прямого отношения к Млечному Пути они не имеют: это две самостоятельные небольшие галактики, довольно бедные звездами. Малое Магелланово облако лежит в 160 тыс. световых лет от нас, а Большое — еще дальше, почти в 200 тыс. световых лет. Хотя Магеллановы облака заметно уступают Млечному Пути в размерах, в них обнаружены весьма любопытные объекты. Например, в Большом Магеллановом облаке расположена звезда S Золотой Рыбы, обладающая наибольшей известной светимостью. Невооруженным глазом она не видна, потому что имеет 8-ю звездную величину, но ее абсолютная светимость превосходит солнечную в 600 тыс. раз!
Однако Млечный Путь и Магеллановы облака — это еще далеко не все. В 2,5 млн световых лет от Млечного Пути лежит спиральная галактика Андромеды, значительно превосходящая нашу по массе и количеству звезд. Она видна невооруженным глазом как слабая звездочка 5-й величины и значится в каталоге Мессье под номером 31, поэтому получила название М31 (а Шарль Мессье — это знаменитый французский астроном, одним из первых начавший составлять каталог туманностей и звездных скоплений).
Галактика Андромеды, Млечный Путь, Магеллановы облака, спираль в Треугольнике (М33) и множество галактик поменьше (общим числом около 40) входят в состав так называемой Местной группы с диаметром свыше 3 млн световых лет. В пределах более чем 30 млн световых лет разбросано больше десятка аналогичных групп. А в 50 млн световых лет лежит крупное скопление в созвездии Девы, насчитывающее несколько тысяч галактик. Таким образом, наша Местная группа принадлежит к еще более масштабной структуре, которую принято называть локальным сверхскоплением галактик. Его диаметр составляет 100, а толщина — более 30 млн световых лет. Центром этого исполинского галактического облака является то самое скопление в Деве.
Галактика Млечный Путь ютится на самом краю локального сверхскопления. А еще дальше, на расстоянии в несколько сотен миллионов световых лет, находится гораздо более крупное скопление в созвездии Волосы Вероники, в состав которого входит больше 10 тысяч галактик. По-видимому, оно представляет собой часть еще одного гигантского галактического сверхскопления, которых в последнее время открыто несколько десятков. Эти величественные объекты венчают иерархию структур наблюдаемой части Вселенной, которую иначе называют Метагалактикой.
Видимая часть Вселенной насчитывает более 100 млрд галактик. Мы на Земле невооруженным глазом видим только четыре из них: Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака.