Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

полезную, с более высокой энтропией – например, в ультрафиолетовое излучение, которое испускает ваша кожа.

Этот процесс длится вечно, и он необратим. Как только распадётся последний протон и испарится последняя чёрная дыра, неизбежно станет явью кошмарное видение Кельвина – холодная, мёртвая Вселенная. Может быть, она достигнет этого конечного состояния – и больше уже никогда и ничего не случится.

Но может быть, и нет! Вселенная ещё вполне может возродиться. И секретными ингредиентами, которые позволят ей это сделать, могут быть тёмная энергия и кванты.

Тьма – противоядие от тьмы

В этой книге мы уже несколько раз встречались с тёмной энергией. Вспомните: это некая плотность энергии, заполняющая всё пространство, не похожая ни на какую другую известную нам энергию. Её необычные свойства говорят о том, что она заставляет Вселенную расширяться всё быстрее и быстрее, ускоряя её стремление к тепловой смерти по мере того, как вещество и излучение в ней всё быстрее становятся всё более разреженными.

Необычность тёмной энергии – в том, как она ведёт себя в ходе расширения Вселенной. Если Вселенная удваивается в размерах, плотность вещества падает в восемь раз из-за роста объёма. Излучение, в частности, свет, тоже испытывает разрежение по мере расширения Вселенной, но быстрее, чем вещество. А вот тёмная энергия вообще не испытывает никакого понижения плотности.

Сегодня плотность тёмной энергии эквивалентна примерно 10–29г/см3, что хотя и немного, но всё-таки примерно вдвое выше средней плотности вещества во Вселенной. И тёмная энергия будет иметь ту же самую плотность в будущем, даже в мрачные далёкие времена будущей тепловой смерти Вселенной. Так что в глубинах её, мёртвой на вид, будет таиться тёмная энергия. «Хм, интересно, – наверно, думаете вы, – и что же из этого?»

Вспомните, как в начале этой книги, говоря о квантах в эпоху начала Вселенной, мы представили себе инфлатон, энергетическое поле, которое вызвало сверхбыстрое расширение ещё до того, как во Вселенной появились первое вещество и первое излучение. Один из возможных механизмов инфляции – энергетическое поле, подвергшееся изменениям из-за действия квантового туннельного эффекта, переходящее из одного состояния в другое посредством процесса, невозможного без участия квантово-механических сил.

Некоторые физики предполагают, что тёмная энергия, возможно, находится в похожей ситуации, находясь в энергетическом состоянии, не соответствующем её истинному минимальному значению, – но она «застряла» в нём, в так называемом ложном вакууме: не существует процесса, который позволил бы ей распадаться. Но не забывайте, что квантовая механика как раз и открывает для объектов возможности осуществлять невозможные переходы благодаря квантовому туннельному эффекту. Может быть, тёмная энергия тоже может перейти из более высокого состояния в более низкое?

Как и всё в квантовой механике, туннелирование – процесс вероятностный, и шансы тёмной энергии на туннельный переход растут по мере нашего ожидания. Сколько же надо ждать, чтобы с тёмной энергией произошёл такой квантовый распад? Здесь мы полностью в мире умозрительных предположений, и любую оценку надо воспринимать с изрядной долей скепсиса, но всё же некоторые предполагают, что ложный вакуум тёмной энергии в конечном счёте распадётся и превратится в истинный вакуум на временной шкале порядка 101500 лет.

Как именно этот распад будет происходить – тема ещё более спекулятивная, но есть пара интересных идей. Одна заключается в том, что этот распад не будет происходить одновременно по всей Вселенной – на разных участках он случится в разное время. Это напоминает замерзание воды при её замораживании: замерзание начинается в отдельных точках и потом распространяется вокруг них, пока весь объём воды не замёрзнет.

При распаде тёмная энергия может действовать как инфлатон, о котором мы рассказывали в предыдущих главах: она будет вызывать импульсы ускоренного расширения Вселенной. В сущности, в каждой точке такого расширения в нашей Вселенной будет рождаться новая Вселенная.[62] Что эти Вселенные будут собой представлять?

Мы рискуем опять начать нагромождать одно умозрительное предположение на другое, но, вполне возможно, все эти новорождённые Вселенные будут такими же, как наша. Более интересная идея, однако, заключается в том, что при акте кристаллизации Вселенной из этой новой инфляции, по сути, придётся переписать все законы физики: у каждой новой Вселенной будет своя собственная смесь частиц и сил.

Большая часть этих Вселенных, возможно, окажется очень непохожей на нашу, – они будут слишком простыми и не смогут обеспечить уровень сложности, требуемый для появления жизни. Но в некоторых из них, возможно, смогут сиять звёзды, вокруг них будут обращаться планеты и сможет образоваться какая-то жизнь. А некоторые формы этой жизни могут даже научиться читать и писать!

Кое-кто из учёных даже думает, что это уже случилось! Может быть, наша Вселенная – всего лишь одна из стадий вечного цикла рождения, жизни, умирания и рождения новых миров. А может, и нет. Пока что истории о далёком будущем нашей Вселенной и о том, что с ней станет, мало отличаются от волшебных сказок.

Часть 4

Будущее квантового космоса

Где мы побывали?

В этой книге мы познакомились с прошлой, настоящей и будущей историей Вселенной – по крайней мере, в пределах нашего понимания этой истории, – и убедились: насколько квантовая физика и общая теория относительности различны, настолько они неразделимы и в равной мере необходимы нам, если мы хотим понять внутренние механизмы нашего космоса.

На протяжении всей истории Вселенной, от её рождения в пламени Большого Взрыва и до нынешней эпохи, когда ярко сияют звёзды и цветёт жизнь (во всяком случае, на нашей маленькой планете), мы способны разглядеть внутренние движущие силы развития космоса. Даже заглядывая в далёкое будущее Вселенной, мы можем догадываться об ожидающих её тёмных веках, о времени, когда не будет больше света звёзд и когда в самом конце мира вещество растворится в темноте. Мы можем видеть прошлое и будущее благодаря законам физики, описывать времена, которых не видел ни один человек, при помощи языка математики. Мы можем путешествовать во времени, пользуясь наблюдениями и воображением астрономов и космологов.

То, что мы с такой уверенностью представляем себе состояние Вселенной через долю секунды после Большого взрыва или через много триллионов лет, в будущем, которого никто из нас не увидит – свидетельство успехов современной науки. Это та же самая наука, на которой основываются технические достижения нашей цивилизации, которая позволяет создавать устройства, способные заглядывать внутрь повреждённых органов, умеет доставлять почти неограниченные количества информации в компьютеры, умещающиеся на ладони, помогает вам не заблудиться по пути на вечеринку. Современная наука – то, чем все люди должны гордиться.

Но её развитие никогда не заканчивается, и всегда есть вопросы, которые ждут ответа. Наше понимание основ Вселенной далеко от завершённости. В начале нашей книги мы отмечали, что современная физика построена на двух на первый взгляд