До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

В предыдущей фазе этого цикла повышение температуры запустило процесс синтеза в водородной оболочке, окружающей спокойное гелиевое ядро. Теперь же повышение температуры запускает синтез в гелиевой оболочке, окружающей спокойное ядро из углерода и кислорода. Но в этом цикле температура в ядре никогда не достигнет значения, необходимого для запуска нового раунда ядерного синтеза. Масса Солнца слишком мала для очередного цикла сжатия с ростом температуры, который в более тяжелых звездах запустил бы синтез ядер углерода и кислорода с образованием еще более тяжелых и более сложных ядер. Вместо этого при горении гелиевой оболочки с бомбардировкой ядра свежеобразованными углеродом и кислородом ядро продолжит сжиматься до тех пор, пока квантовый эффект, известный как принцип запрета Паули, не остановит схлопывание7.

В 1925 г. австрийский физик Вольфганг Паули — пионер квантовой теории, известный своей язвительностью («Меня не беспокоит, что вы медленно думаете; меня беспокоит, что вы публикуетесь быстрее, чем думаете»8), — понял, что квантовая механика устанавливает предел тесноте сближения двух электронов (точнее, квантовая механика исключает нахождение любых двух идентичных материальных частиц в одинаковом квантовом состоянии, но нам достаточно и приближенного описания). Вскоре после этого коллективный разум множества исследователей показал, что полученный Паули результат, несмотря на то что речь в нем шла исключительно о крохотных частицах, является ключевым для понимания судьбы Солнца, как и судьбы всех звезд аналогичного размера. По мере сжатия Солнца электроны в ядре будут все больше сближаться — и рано или поздно их концентрация там достигнет предела, обозначенного результатом Паули. Когда дальнейшее сжатие попытается нарушить принцип Паули, в дело вступит мощное квантовое отталкивание: электроны будут стоять на своем, они потребуют себе личного пространства и откажутся сближаться еще сильнее. Сжатие Солнца прекратится9.

Внешние, далекие от ядра оболочки Солнца будут и дальше расширяться и остывать — и в конечном итоге уплывут в пространство, оставив на месте Солнца поразительно плотный шар из углерода и кислорода, называемый белым карликом, который будет светиться еще несколько миллиардов лет. Поскольку температура, необходимая для дальнейшего ядерного синтеза, достигнута не будет, тепловая энергия медленно рассеется в пространстве, подобно последнему теплу угасающего уголька в костре; остаток Солнца остынет и потухнет, превратившись в конечном итоге в темный замерзший шар. Чуть выше 10-го этажа наше Солнце окончательно потухнет.

Это спокойный и мирный конец. Особенно в сравнении с катастрофическим финалом, ожидающим, возможно, всю Вселенную, когда мы продолжим подъем на следующий этаж.

Большой разрыв

Подбросьте вверх яблоко, и неумолимая тяга земной гравитации позаботится о том, чтобы его скорость постепенно снизилась. Это простое упражнение несет в себе глубокий космологический смысл.

Еще со времен наблюдений Эдвина Хаббла в 1920-х гг. нам известно, что пространство расширяется: галактики стремительно убегают друг от друга10. Но, как и в случае с подброшенным яблоком, гравитационное влияние каждой галактики на все остальные должно, безусловно, замедлять это космическое разбегание. Пространство расширяется, но скорость расширения должна по идее уменьшаться. В 1990-е гг. две группы астрономов, руководствуясь этими ожиданиями, решили измерить скорость космического замедления. После почти десятилетия работы они объявили результаты — и потрясли тем самым научный мир11. Ожидания не оправдались. Путем тщательного наблюдения взрывов далеких сверхновых — мощных маяков, которые можно видеть и измерять буквально через всю Вселенную, — они открыли, что расширение не замедляется. Оно ускоряется. И не то чтобы этот космический форсаж включился вчера. Исследователи, попадавшие от изумления со стульев, увидели, что астрономические наблюдения показывают: расширение набирает скорость последние 5 млрд лет.

То, что абсолютное большинство ученых ожидало увидеть замедление расширения, объясняется просто: такой вариант имеет смысл. Предположить, что расширение пространства ускоряется, на первый взгляд, столь же абсурдно, как предсказать, что слегка подброшенное яблоко навсегда покинет землю и ракетой умчится в небеса. Увидев нечто подобное, всякий разумный человек будет искать какую-то скрытую силу, какое-то незамеченное влияние, которое и заставило яблоко улететь вверх. Так и исследователи, когда наблюдательные данные доказали, вне всяких сомнений, что пространственное расширение ускоряется, поднялись с пола, взяли в руки мел и принялись искать причину этого.

В ведущем объяснении задействована важнейшая черта общей теории относительности Эйнштейна12, с которой мы уже встречались при обсуждении инфляционной космологии в главе 3. Вспомним, что и по Ньютону, и по Эйнштейну сгустки вещества, такие как планеты и звезды, порождают знакомую нам силу гравитационного притяжения, но в подходе Эйнштейна репертуар действий гравитации расширяется. Если некоторая область пространства не содержит сгустка вещества, а, напротив, заполнена однородным энергетическим полем (мое любимое сравнение, о котором я уже говорил: пар, однородно заполняющий сауну), результирующая гравитационная сила оказывается отталкивающей. В инфляционной космологии исследователи считают, что такая энергия переносится экзотическим видом поля (инфляционным полем), а теория предполагает, что именно его мощная отталкивающая гравитация вызвала Большой взрыв. Хотя это событие произошло почти 14 млрд лет назад, мы можем применить аналогичный подход к объяснению ускоренного расширения пространства, наблюдаемого в настоящее время.

Если представить, что все пространство равномерно заполнено другим энергетическим полем — мы называем эту энергию темной, потому что она не излучает света, но название невидимая энергия было бы не менее подходящим, — то можно дать объяснение, почему все галактики так поспешно разбегаются. Галактики, будучи сгустками вещества, порождают притягивающую гравитацию, они тянут друг друга внутрь и тем самым замедляют космологическое расширение. Темная энергия, будучи распределена равномерно, порождает отталкивающую гравитацию, она толкает все наружу и таким образом ускоряет разбегание. Чтобы объяснить ускоренное расширение, которое наблюдают астрономы, расталкивающая сила темной энергии просто должна превышать коллективное притяжение галактик. Причем ненамного. В сравнении с молниеносным распуханием пространства во время Большого взрыва сегодняшнее расширение — процесс неспешный, так что достаточно будет совсем немного темной энергии.

В самом деле темной энергии, необходимой для обеспечения наблюдаемого разбегания галактик, в одном кубическом метре пространства хватило бы на горение 100-ваттной лампочки в течение пяти триллионных долей секунды — почти комически крохотная величина13. Но пространство содержит много кубических метров. Расталкивающая сила, развиваемая каждым из них, суммируется по всему пространству, образуя направленную вовне силу, способную обеспечить то самое ускоренное расширение, которое измерили астрономы.

В пользу темной энергии имеются убедительные, но исключительно косвенные доводы. Никто пока не нашел способа взять темную энергию «с поличным», установить ее существование и непосредственно исследовать ее свойства. Тем не менее темная энергия так непринужденно и точно объясняет данные наблюдений, что де-факто она уже стала общепринятым объяснением ускоренного расширения пространства. Однако с долговременным поведением темной энергии ясности меньше. А для того чтобы предсказать далекое будущее, необходимо мыслить в терминах возможного. Простейший вариант поведения, согласующийся со всеми наблюдениями, состоит в том, что величина темной энергии не меняется с ходом космического времени 14. Но простота, хотя и привлекательна концептуально, не имеет исключительного права на истину. Математическое описание темной энергии допускает ее ослабление, которое сработает как тормоз для ускоренного расширения, или, напротив, усиление, которое добавит ему дополнительный ход. С 11-го этажа последний вариант — постепенное усиление отталкивающей гравитации — выглядит особенно неутешительно: его реализация будет означать, что все мы несемся навстречу катастрофическому событию, которое физики называют Большим разрывом.