Космологи всегда с увлечением рассказывают о Большом взрыве и обо всём удивительном, что произошло за 14 миллиардов лет с тех пор. Но что насчёт будущего? Точного ответа мы не знаем, однако наших знаний о законах физики достаточно, чтобы наметить несколько правдоподобных сценариев будущего Вселенной. Кэти Мак — космолог, которая пишет книгу о конце Вселенной. Мы обсуждаем Большое сжатие и возможный Большой отскок, плавное остывание, при котором Вселенная постепенно затихает, и, конечно, возможность резкого фазового перехода, известного также как «пузырь квантовой смерти». Согласитесь, отличное название для музыкальной группы.

Кэтрин (Кэти) Мак получила степень PhD по физике в Принстонском университете. На момент записи она занимает должность ассистент-профессора в Университете штата Северная Каролина и занимается теоретической космологией, в том числе тёмной материей и чёрными дырами. Она также участвует в университетской программе Leadership in Public Science, посвящённой взаимодействию науки и общества. Её книга «Конец всего» (The End of Everything) должна выйти в 2020 году (прим. переводчика: интервью записано в 2019 году).

Вступление: Вселенная тоже не вечна

ведущий: Всем привет! Добро пожаловать в подкаст Mindscape. С вами ведущий Шон Кэрролл, и у меня плохая новость: миру придёт конец. Я имею в виду не Землю, на которой мы живём, а Вселенную в целом. Когда-нибудь она закончится. Когда именно, мы не знаем. Причём под концом я не обязательно подразумеваю нечто столь драматичное, как буквальное прекращение существования Вселенной. Возможно, она изменится настолько, что жизнь станет невозможной, а возможно, просто постепенно угаснет. Вселенная может закончиться взрывом или всхлипом. Сегодня я беседую с одной из специалисток в этой слегка удручающей области. Кэти Мак — космолог-теоретик из Университета штата Северная Каролина и очень известная популяризаторка науки. Её аккаунт в Twitter — один из самых популярных среди коллег-физиков. Мы поговорим о разных сценариях, описывающих возможное будущее Вселенной.

Наверняка мы ничего не знаем. Предсказывать трудно, особенно будущее. Но мы достаточно хорошо понимаем законы физики, чтобы очертить круг возможностей. Это может быть постепенное угасание: всё удаляется друг от друга, всё становится холоднее, процессы замедляются, пока интересные, деятельные стороны Вселенной не сойдут на нет. А может произойти нечто весьма драматичное. Мой любимый сценарий из тех, что мы обсуждаем в этом выпуске, — пузырь квантовой смерти. Если вы ещё не знаете, что это такое, вам объяснят во всех жутких подробностях. Так что выпуск будет и познавательным — мы действительно поговорим о физике и космологии, — и дающим пищу для размышлений. Наука дошла до того, что мы можем сказать нечто содержательное даже о возможном конце Вселенной. Итак, начнём. Кэти Мак, добро пожаловать в Mindscape.

Кэти Мак: Спасибо, рада быть здесь.

ведущий: Мы поговорим о Вселенной. А она у нас большая.

ведущий: И мне очень нравится, что ты пишешь книгу о будущем Вселенной.

Кэти Мак: Да, именно о её конце. О начале написано столько книг, что я подумала: пора осветить и другой конец истории.

ведущий: Это правда. Вот смотришь «Космос», а там показывают календарь. Космический календарь, да?

ведущий: Начало Вселенной приходится на 1 января, конец календаря — на 31 декабря, а нам достаётся крохотный отрезок в самом конце. И я думаю: «Почему календарь здесь обрывается?»

ведущий: «Он ведь должен продолжаться ещё очень долго».

Кэти Мак: Конечно. Это любопытно: все доводят рассказ только до сегодняшнего дня. Но, по-моему, людям очень хочется знать, что будет дальше, куда всё движется. А мы, физики, слишком мало об этом говорим.

Масштабы Вселенной и что означает Большой взрыв

ведущий: Думаю, для начала важно разобраться с масштабами времени. Давай поговорим о той части истории Вселенной, которую мы знаем, — о прошлом. Потому что, когда речь заходит о будущем, даже о далёком будущем, многие представляют себе лет десять.

ведущий: Расскажи немного о размерах и масштабах Вселенной, какой мы знаем её сегодня.

Кэти Мак: Сейчас возраст нашей Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет. Мы многое знаем о её начале, по сути начиная с миллиардной доли секунды. Что происходило раньше, уже не так ясно. Но у нас есть очень хорошее представление о том, как она развивалась до настоящего времени, и мы начинаем понимать, куда всё идёт. Мы можем восстановить историю расширения и оценить размер наблюдаемой Вселенной, которую часто просто называют Вселенной. Однако наблюдаемая Вселенная — это область, которую мы можем видеть, откуда можем получать информацию. И она довольно велика: её радиус составляет примерно 46 миллиардов световых лет. Такая граница связана с тем, что Вселенная всё это время расширялась. Есть расстояние, за которое мы заглянуть не можем: свет из более далёких областей просто не успел бы дойти до нас за время существования Вселенной.

ведущий: И даже когда мы называем её возраст, нужно быть осторожными, верно? Ведь мы имеем в виду время, прошедшее с Большого взрыва.

ведущий: До Большого взрыва тоже могло что-то быть.

Кэти Мак: Конечно. И ещё нужно уточнить: есть обыденное представление о Большом взрыве и есть то, что обычно имеют в виду физики. Это не всегда одно и то же. Если спросить прохожего: «Что такое Большой взрыв?», он ответит: «Вселенная возникла в одной точке, а потом взорвалась и разлетелась во все стороны». Но физик обычно говорит о совершенно другом — о горячем Большом взрыве. Это просто утверждение, что в прошлом Вселенная была горячее, плотнее и меньше. Оно следует из того, что сейчас Вселенная расширяется и остывает. Если мысленно прокрутить этот процесс назад, мы увидим более горячую, плотную и, в некотором смысле, более сжатую Вселенную. И это совершенно бесспорно…

ведущий: Большой взрыв действительно был.

Кэти Мак: В этом смысле — безусловно. И мы это знаем, потому что можем его видеть.

Кэти Мак: Буквально можем увидеть его в любом направлении. Если заглянуть достаточно далеко, свет идёт до нас так долго, что мы видим время, когда вся Вселенная ещё была раскалена.

ведущий: Тебе знакомо имя Эрик Лернер?

ведущий: Автор книги «Большого взрыва никогда не было».

ведущий: В своё время, даже когда я учился в аспирантуре, в восьмидесятые и девяностые, ещё были люди, отрицавшие даже модель горячего Большого взрыва.

ведущий: Да, плазменная космология. Слышала о таком? Мол, главное взаимодействие во Вселенной — электромагнетизм, а не гравитация, и так далее.

Кэти Мак: Мне постоянно пишут об этом в Twitter.

ведущий: Поэтому с мифами всё-таки приходится бороться. Но ладно. Официальная позиция Mindscape: Большой взрыв был.

Кэти Мак: Да. Горячий Большой взрыв: в прошлом Вселенная была горячее, плотнее и в некотором смысле меньше. И мы действительно можем это видеть. Кстати, мне нравится, что начало заставки сериала «Теория Большого взрыва» очень удачно передаёт суть этой теории. Вся Вселенная находилась в горячем плотном состоянии, почти 14 миллиардов лет назад началось расширение. Вот здесь можно остановиться. Это и есть теория Большого взрыва, больше ничего.

ведущий: Совершенно верно. Там нет слова «взорвалась»…

ведущий: И не говорится, что была одна точка.

Кэти Мак: Ни точки, ни сингулярности. Сингулярность могла быть: возможно, до этого раскалённого состояния плотность Вселенной была бесконечной. Возможно, прослеживая историю назад, мы дойдём до такого состояния. Но ту раскалённую Вселенную, которую мы наблюдаем, мы видим примерно через 380 тысяч лет после начала. За эти 380 тысяч лет произошло очень многое. И мы не знаем, была ли в самом начале сингулярность. Мы предполагаем, что, вероятно, был этап стремительного расширения — инфляция. А что происходило до этого сверхбыстрого расширения, в первые миллиардную от миллиардной от миллиардной доли секунды, толком не знаем.

ведущий: Лично я оцениваю шансы инфляции как пятьдесят на пятьдесят.

Кэти Мак: Да, она входит в стандартную космологическую картину, но её модели бывают разными. Уточню: если инфляция была, речь идёт примерно о секунды. Так что начиная с секунды мы уже довольно хорошо ориентируемся. По-моему, это потрясающее достижение.

ведущий: Безусловно. Но давай приведём скептикам кое-какие доказательства. Ты сказала, что непосредственно мы видим только то, что происходило спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Но при этом утверждаешь, что мы хорошо понимаем события первой секунды и даже более ранних моментов. Как перейти от одного к другому?

Кэти Мак: Здесь есть несколько способов. Во-первых, можно изучать структуру этого фонового излучения, дошедшего до нас из эпохи спустя 380 тысяч лет после начала. Тщательно анализируя его рисунок, мы узнаём о составе материи и энергии во Вселенной и об истории её расширения. Во-вторых, можно экстраполировать в прошлое тот факт, что Вселенная была горячее и плотнее, а затем проводить эксперименты: создавать небольшие горячие и плотные сгустки материи и энергии и выяснять, какая физика работает в таких условиях. То есть ставить опыты на коллайдерах.

ведущий: Настоящие эксперименты здесь, на Земле.

Кэти Мак: Да. На Большом адронном коллайдере можно сталкивать частицы и достигать огромных энергий, создавая условия, очень похожие на некоторые этапы ранней Вселенной. Есть коллайдеры, на которых получают кварк-глюонную плазму — своего рода предшественницу тех частиц, которые мы наблюдаем сегодня. Как мы полагаем, именно ею была заполнена Вселенная в очень ранние времена. И возможность сделать маленький образец Вселенной эпохи Большого взрыва — это здорово.

Есть и несколько более косвенных свидетельств, связанных с распространённостью химических элементов. Речь о первичном нуклеосинтезе. На ранней горячей стадии был период, когда вся Вселенная была такой же горячей, как центр звезды. В ней шли реакции ядерного синтеза: из водорода образовывались гелий, литий и небольшие количества других элементов. Мы можем рассчитать, какой должна быть распространённость этих элементов, если всё происходило именно так. И расчёты очень хорошо совпадают с наблюдениями. Благодаря таким данным мы довольно уверенно восстанавливаем все этапы от кварк-глюонной плазмы до эпохи спустя несколько сотен тысяч лет, когда возникло реликтовое излучение — тот самый световой фон, который мы наблюдаем. А для более поздних эпох есть другие виды наблюдений.

ведущий: Как ты и сказала, поразительно, что человечеству удалось всё это выяснить. Только что я подшучивал над отрицателями Большого взрыва, но в пятидесятые годы сомневаться в нём было совершенно разумно. А сто лет назад сторонников Большого взрыва вообще не было: ещё не знали, что Вселенная расширяется. Всё это — достижения последнего столетия.

Кэти Мак: Да. Удивительно, что переход от статической Вселенной к расширяющейся произошёл за время научной карьеры Эйнштейна. Это изменило уравнения, с помощью которых он описывал эволюцию Вселенной, и полностью перевернуло наши представления о космической истории и будущем.

ведущий: И это прекрасный пример взаимодействия наблюдений и экспериментов с теорией. Ты упомянула Эйнштейна. Он сам не работал на телескопах и не собирал эти данные, но именно он создал теоретическую основу, на которой мы описываем расширение Вселенной.

Кэти Мак: Да. Хотя, конечно, не он первым заговорил обо всех этих идеях. Леметр и ещё несколько исследователей разрабатывали представления о Большом взрыве, расширении Вселенной и так далее. Но здесь есть любопытная история. Эйнштейн записал уравнения, которыми мы до сих пор пользуемся для описания материи и энергии во Вселенной, и добавил в них дополнительный член, чтобы учесть её кажущуюся статичность. Когда выяснилось, что Вселенная расширяется, он его убрал. А теперь мы вернули этот член, потому что он понадобился для другой цели. Если хочешь, я могу об этом рассказать…

ведущий: Обязательно. Только сначала хочу, чтобы слушатели поняли: расширение Вселенной мы описываем с помощью общей теории относительности, эйнштейновской теории гравитации. Мы не просто смотрим и видим, что Вселенная расширяется. Мы используем уравнения Эйнштейна, чтобы проследить её эволюцию и вперёд, и назад во времени.

Кэти Мак: Именно. И это ещё одно поразительное достижение, ведь общая теория относительности — едва ли не самая стойкая к проверкам теория. Мы испытываем её всеми мыслимыми способами и пока не нашли ни единой…

Кэти Мак: …аномалии. Всё выглядит именно так, как должно, если общая теория относительности действует всегда и нигде не нарушается. Это даже немного странно, потому что мы знаем: где-то такое описание должно перестать работать. Квантовая механика и общая теория относительности плохо согласуются друг с другом. Где-то что-то придётся пересмотреть. Возможно, их взаимодействие устроено тоньше, чем нам кажется, и каждая окажется права по‑своему. Но наблюдать за всеми этими проверками действительно удивительно. Всё, что только можно придумать, даёт полное согласие с теорией. Даже гравитационные волны от столкновений чёрных дыр, которые регистрирует LIGO: сначала с помощью общей теории относительности на компьютере моделируют сигнал от такого столкновения, а затем приходит настоящий сигнал и в точности совпадает с расчётом. Никаких отклонений.

ведущий: Да. Точное совпадение с предсказанием уравнений, которые Эйнштейн записал в 1915 году.

ведущий: Без каких-либо изменений и усовершенствований, верно?

Кэти Мак: Да. И нам остаётся говорить: «Ну что ж, всё ещё работает».

ведущий: Похоже, природа именно так и устроена. Вероятно, теория перестаёт работать у Большого взрыва или внутри чёрных дыр, но для наблюдаемой Вселенной — вот она, общая теория относительности. Ладно, ты уже сделала несколько намеков, так что дам тебе самой раскрыть интригу. Вселенная расширяется, и мы можем восстановить скорость её расширения. Ты дважды намекнула на то, о чём мы сейчас поговорим: упомянула дополнительный член в уравнениях Эйнштейна, а ещё сказала, что Вселенной 13,8 миллиарда лет, но её размер — больше 42 миллиардов световых лет. Как такое возможно?

Ускоренное расширение и загадка тёмной энергии

Кэти Мак: Я сказала, что размер наблюдаемой Вселенной определяется тем, сколько времени свету требуется, чтобы добраться до нас с самого начала, и какое расстояние он может за это время пройти. Казалось бы, получается 13,8 миллиарда световых лет: свет проходит один световой год за год, а прошло 13,8 миллиарда лет. Всё логично. Но Вселенная всё это время расширялась. Поэтому область, свет из которой шёл к нам 13,8 миллиарда лет, сейчас находится гораздо дальше. Чтобы определить расстояние до неё, нужно учесть всю историю расширения. И одна из важных особенностей этой истории в том, что сегодня расширение идёт быстрее, чем, казалось бы, должно. С конца девяностых это стало настоящей революцией в физике.

Один из главных вопросов как раз связан с тем, чем я сейчас занимаюсь, — с концом Вселенной. Как она будет развиваться дальше? Мы знаем, что сейчас она расширяется. Будет ли расширение продолжаться вечно? Или сменится сжатием и всё закончится Большим сжатием? Что вообще произойдёт? В конце девяностых пытались это выяснить. Для ответа нужно было определить соотношение между количеством материи и энергии во Вселенной, действием гравитации и скоростью расширения.

Физика здесь примерно та же, что у мяча, подброшенного вверх. Чем быстрее его бросить, тем выше он поднимется. Всё это время он будет замедляться, а затем упадёт. Если придать ему скорость 11,2 километра в секунду, он достигнет второй космической скорости и улетит в космос, уже не вернувшись. Но по мере удаления он всё равно будет понемногу замедляться: гравитационное притяжение между ним и Землёй постоянно противодействует начальному толчку. Итак, мяч должен замедляться, но при этом либо удаляться бесконечно, либо развернуться и упасть. Для Вселенной мы пытались разобраться в том же самом, потому что физика, по существу, аналогичная. Был начальный толчок — Большой взрыв, затем всё расширяется, а гравитация стремится стянуть всё обратно. Хватит ли её для этого? Мы хотели измерить, насколько быстро замедляется расширение, чтобы понять, достаточно ли замедления для будущего разворота. И вот начали измерять…

ведущий: Кстати, когда я был аспирантом, это была одна из самых горячих тем: насколько быстро замедляется Вселенная.

Кэти Мак: Да, параметр замедления, q.

ведущий: Развернётся ли она когда-нибудь или будет расширяться вечно, только всё медленнее?

Кэти Мак: Именно. Стали измерять параметр замедления и обнаружили, что он отрицательный. [Усмехается.] Вселенная вовсе не замедляется, а ускоряется. Расширение идёт всё быстрее. Ранее оно замедлялось: в самом начале было очень быстрым, затем долго замедлялось, а примерно пять миллиардов лет назад снова начало ускоряться. Это столь же странно, как если бы вы подбросили мяч, он поднялся на несколько метров, постепенно замедляясь, а затем вдруг умчался в космос. [Усмехается.] С точки зрения привычной физики странность точно такая же: так быть не должно. Поэтому открытие стало большой загадкой. Многие поначалу сомневались: действительно ли всё так? Что происходит? Ты тогда уже работал в этой области и помнишь…

Кэти Мак: Но в итоге все данные, похоже, указывали на ускоряющееся расширение. Нужно было понять, что может заставить Вселенную расширяться всё быстрее. И тут пригодился тот самый дополнительный член, который Эйнштейн первоначально ввёл в уравнения, чтобы Вселенная оставалась статичной. Он считал, что она не расширяется, но гравитация в ней действует, а значит, её надо чем-то уравновесить. Мы вернули этот член, чтобы не просто уравновесить гравитацию, а превысить её действие и заставить галактики удаляться друг от друга с ускорением.

ведущий: Космологическая постоянная, энергия вакуума — как угодно называй.

Кэти Мак: Да, космологическая постоянная. Обычно мы записываем её как лямбда-член. И теперь без него никуда. Правда, мы не знаем, действительно ли это космологическая постоянная. Существуют разные виды того, что мы называем тёмной энергией, способные ускорять расширение, и пока неясно, постоянна ли эта величина во времени или же меняется. Хотелось бы понять её природу, потому что она задаёт судьбу Вселенной: если это постоянная, то, возможно, Вселенная будет расширяться вечно и постепенно охлаждаться; если это нечто динамическое, возможны другие финалы.