Кэти Мак: как закончится существование Вселенной (интервью)

Космологи охотно и вдохновенно рассказывают о Большом взрыве и обо всём поразительном, что случилось за 14 миллиардов лет после него. А что ждёт Вселенную впереди? Точного ответа у нас нет, но знаний о законах физики хватает, чтобы набросать несколько правдоподобных сценариев. Космолог Кэти Мак работает над книгой о конце Вселенной. Мы обсуждаем Большое сжатие и возможный Большой отскок, неспешное остывание, при котором Вселенная постепенно затихает, и, разумеется, вероятность внезапного фазового перехода, который называют «пузырём квантовой смерти». Согласитесь, превосходное название для музыкальной группы.

Кэтрин (Кэти) Мак получила степень PhD по физике в Принстонском университете. На момент записи она работает ассистент-профессором в Университете штата Северная Каролина и занимается теоретической космологией, в частности тёмной материей и чёрными дырами. Кроме того, она участвует в университетской программе Leadership in Public Science, которая посвящена 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! Вы слушаете подкаст Mindscape, с вами ведущий Шон Кэрролл, и новости у меня невесёлые: миру придёт конец. Речь не о Земле, на которой мы живём, а о Вселенной целиком. Рано или поздно она закончится. Когда именно, мы не знаем. Причём «конец» не обязательно означает нечто столь драматичное, как буквальное исчезновение Вселенной. Она может измениться настолько, что жизнь в ней станет невозможной, а может просто постепенно угаснуть. Вселенная способна закончиться и взрывом, и всхлипом. Сегодня я беседую с одним из специалистов в этой слегка унылой области. Кэти Мак, космолог-теоретик из Университета штата Северная Каролина, ещё и очень известный популяризатор науки. Её Twitter-аккаунт входит в число самых популярных среди физиков. Мы поговорим о разных сценариях будущего Вселенной.

Наверняка мы ничего не знаем. Предсказывать трудно, особенно будущее. Но законы физики мы понимаем достаточно хорошо, чтобы очертить круг возможностей. Это может быть медленное угасание: всё разбегается, холодает, процессы замедляются, пока всё интересное и деятельное во Вселенной не сойдёт на нет. А может случиться что-нибудь по-настоящему драматичное. Мой любимый сценарий из тех, что мы разберём в этом выпуске, — пузырь квантовой смерти. Если вы ещё не знаете, что это такое, вам объяснят во всех жутких подробностях. Так что выпуск получится и познавательным, ведь мы всерьёз поговорим о физике и космологии, и заставляющим задуматься. Наука продвинулась настолько, что о возможном конце Вселенной можно сказать нечто содержательное. Итак, начнём. Кэти Мак, добро пожаловать в Mindscape.

Кэти Мак: Спасибо, рада быть здесь.

ведущий: Речь пойдёт о Вселенной. А она у нас немаленькая.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Мне очень по душе, что ты пишешь книгу о будущем Вселенной.

Кэти Мак: Да, именно о её конце. О начале написано столько книг, что я решила рассказать и о другом конце истории.

ведущий: Это верно. Смотришь «Космос», и там показывают календарь. Космический календарь, да?

Кэти Мак: Да.

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

Кэти Мак: Да-да.

ведущий: «Ведь он должен длиться ещё очень и очень долго».

Кэти Мак: Конечно. Любопытно, что все доводят рассказ лишь до сегодняшнего дня. А людям, по-моему, очень хочется знать, что будет дальше и куда всё движется. Мы же, физики, говорим об этом непозволительно редко.

Масштабы Вселенной и что означает Большой взрыв

ведущий: Думаю, для начала стоит разобраться с масштабами времени. Давай поговорим о той части истории Вселенной, которую мы знаем, то есть о прошлом. Ведь когда речь заходит о будущем, пусть даже далёком, многие представляют себе лет десять.

Кэти Мак: Верно.

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

Кэти Мак: Сегодня возраст нашей Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет. О её начале мы знаем многое, по сути начиная с миллиардной доли секунды. Что было раньше, уже не так понятно. Но у нас есть очень хорошее представление о том, как она развивалась до наших дней, и мы начинаем понимать, куда всё движется. Мы можем восстановить историю расширения и оценить размер наблюдаемой Вселенной, которую часто называют просто Вселенной. Однако наблюдаемая Вселенная — это область, которую мы способны видеть и откуда можем получать информацию. Она довольно велика: её радиус составляет примерно 46 миллиардов световых лет. Такая граница существует потому, что всё это время Вселенная расширялась. Есть расстояние, дальше которого мы заглянуть не можем: свет из более далёких областей просто не успел бы добраться до нас за время существования Вселенной.

ведущий: Даже называя её возраст, нужно соблюдать осторожность, верно? Ведь речь идёт о времени, прошедшем с Большого взрыва.

Кэти Мак: Да.

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

Кэти Мак: Конечно. И нужно уточнить ещё одно: есть бытовое представление о Большом взрыве, а есть то, что обычно имеют в виду физики. Это не всегда одно и то же. Если спросить прохожего: «Что такое Большой взрыв?», он скажет: «Вселенная возникла в одной точке, потом взорвалась и разлетелась во все стороны». Физик же обычно говорит о совершенно другом — о горячем Большом взрыве. Это просто утверждение, что в прошлом Вселенная была горячее, плотнее и меньше. Оно вытекает из того, что сейчас Вселенная расширяется и остывает. Если мысленно прокрутить 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 знаем это, потому что можем его наблюдать.

ведущий: Да.

Кэти Мак: Буквально 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?

Кэти Мак: Кажется, да.

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

Кэти Мак: Правда?

ведущий: Да.

Кэти Мак: Ясно.

ведущий: Когда я учился в аспирантуре, в восьмидесятые и девяностые, ещё находились люди, отрицавшие даже модель горячего Большого взрыва.

Кэти Мак: Неужели? Надо же.

ведущий: Да, плазменная космология. Слышала о такой? Мол, главную роль во Вселенной играет электромагнетизм, а не гравитация, и так далее.

Кэти Мак: О нет, только не это.

ведущий: Именно так.

Кэти Мак: Мне об этом постоянно пишут в Twitter.

ведущий: Вот 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 увидеть. Кстати, мне нравится, что начало заставки сериала «Теория Большого взрыва» очень удачно передаёт суть этой теории. Вся Вселенная пребывала в горячем плотном состоянии, почти 14 миллиардов лет назад началось расширение. Здесь можно остановиться. Это и есть теория Большого взрыва, и больше ничего.

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

Кэти Мак: Нет.

ведущий: И не говорится, что была единственная точка.

Кэти Мак: Ни точки, ни сингулярности. Сингулярность могла быть: возможно, до этого раскалённого состояния плотность Вселенной была бесконечной. Не исключено, что, 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. А была ли в самом начале сингулярность, мы не знаем. Мы предполагаем, что, вероятно, существовал этап стремительного расширения — инфляция. Что происходило до этого сверхбыстрого расширения, в первую миллиардную от миллиардной от миллиардной доли секунды, мы толком не знаем.

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

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

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

Как мы изучаем раннюю Вселенную

Кэти Мак: Тут есть несколько путей. Во-первых, можно изучать структуру 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 ставить опыты: создавать небольшие горячие и плотные сгустки материи и энергии и выяснять, какая физика действует в таких условиях. То есть работать на коллайдерах.

ведущий: Настоящие эксперименты прямо здесь, на Земле.

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

Есть и более косвенные свидетельства, связанные с распространённостью химических элементов. Речь о первичном нуклеосинтезе. На ранней горячей стадии был период, когда вся Вселенная нагрелась так же, 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. 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 существуют другие виды наблюдений.

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

Кэти Мак: Да. Удивительно, что переход от статической Вселенной к расширяющейся произошёл на протяжении научной карьеры Эйнштейна. Он изменил уравнения, с помощью которых тот описывал эволюцию Вселенной, и полностью перевернул наши представления о космической истории и будущем.

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

Кэти Мак: Да. Хотя, конечно, не он первым заговорил обо всех этих идеях. Леметр и ещё несколько исследователей развивали представления о Большом взрыве, расширении Вселенной и так далее. Но тут 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 объяснить её кажущуюся статичность. Когда выяснилось, что Вселенная расширяется, он этот член убрал. А теперь мы вернули его, потому что он понадобился для другой цели. Если хочешь, я могу рассказать подробнее…

ведущий: Обязательно. Но сначала я 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 так. И это ещё одно поразительное достижение, ведь общая теория относительности — едва ли не самая устойчивая к проверкам теория. Мы испытываем её всеми мыслимыми способами и пока не нашли ни единой…

ведущий: Знаю, я пытался.

Кэти Мак: …аномалии. Всё выглядит именно так, как должно быть, если общая теория относительности действует всегда и нигде не нарушается. Это даже немного странно, ведь 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 из теорий окажется права по-своему. Но наблюдать за этими проверками действительно удивительно. Всё, что только можно придумать, полностью согласуется с теорией. Даже гравитационные волны от столкновений чёрных дыр, которые регистрирует LIGO: сначала на компьютере с помощью общей теории относительности моделируют сигнал от такого столкновения, а потом приходит настоящий сигнал и в точности совпадает с расчётом. Никаких отклонений.

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

Кэти Мак: Невероятно.

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

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

ведущий: Похоже, природа действительно так устроена. Вероятно, теория перестаёт работать у Большого взрыва или внутри чёрных дыр, но для наблюдаемой Вселенной она годится. Ладно, ты уже сделала несколько намёков, так что дам тебе самой раскрыть интригу. Вселенная расширяется, и мы можем восстановить скорость этого 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 превышает 42 миллиарда световых лет. Как такое возможно?

Ускоренное расширение и загадка тёмной энергии

Кэти Мак: Я сказала, что размер наблюдаемой Вселенной определяется тем, сколько времени свету нужно, чтобы добраться до нас с самого начала, и какое расстояние он может за это время преодолеть. 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 важнейших 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 связан как раз с тем, чем я сейчас занимаюсь, — с концом Вселенной. Как она будет развиваться дальше? Мы знаем, что сейчас она расширяется. Продолжится ли расширение вечно? Или оно сменится сжатием, и всё завершится Большим сжатием? Что вообще произойдёт? В конце девяностых пытались это выяснить. Для ответа требовалось 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 сильнее 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, 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 сути аналогична. 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 этого замедления для будущего разворота. И вот мы начали измерять…

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

Кэти Мак: Да, параметр замедления, .

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

Кэти Мак: Именно. Начали измерять параметр замедления и обнаружили, что он отрицательный. [Усмехается.] Вселенная вовсе не замедляется, а ускоряется. Расширение идёт всё быстрее. Раньше оно замедлялось: в самом начале было очень быстрым, затем долго замедлялось, а примерно пять миллиардов лет назад вновь начало ускоряться. Это так 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…

ведущий: Да, я всё это застал.

Кэти Мак: Но в итоге все данные, по-видимому, указывали на ускоряющееся расширение. Нужно было понять, что способно 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 превзойти её действие и заставить галактики удаляться друг от друга с ускорением.

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

 

Источник