 |
Взлеты и падения пульсирующих вселенных
|
|
|
|
Если наша расширяющаяся вселенная, со знакомыми нам звездами и галактиками, не возникла вдруг спонтанно и из ниоткуда — каково же ее происхождение? Одно из мнений, имеющее длинную родословную, гласит, что она вовсе не имела начала. Она существовала всегда. Неизменно обаятельные мифы повествуют о циклической истории вселенной, которая периодически сгорает в великом пламени и затем, как феникс, возрождается из пепла [16, 6]. Современные космологические модели расширяющейся вселенной вторят этому сценарию. Говоря о закрытых вселенных, имеющих историю расширения, расширяющихся до максимума и затем снова сжимающихся до нуля, нельзя исключить, что этот эпизод космической истории будет повторяться и дальше. Предположим, что вселенная расширяется и сжимается снова, и снова, и снова — и так до бесконечности. Если это возможно, нет никаких причин думать, что мы находимся в первом цикле. Можно вообразить себе неисчислимое множество пульсаций в прошлом и подобное же количество — в будущем. Однако мы игнорируем тот факт, что в начале и в конце каждого цикла возникает сингулярность. Возможно, что отталкивающая гравитация остановит вселенную поблизости от точки бесконечной плотности, или же в момент сингулярности произойдет что‑то еще более экзотическое… но все это — голословные предположения.
Впрочем, нельзя сказать, что такие предположения не ограничены ничем, кроме нашей фантазии. Возьмем за основу, что эволюцией от цикла к циклу управляет один из центральных принципов, управляющих жизнью всей природы — второй закон термодинамики, сообщающий нам, что полная энтропия (или беспорядок) закрытой системы никогда не может убывать[14]. Упорядоченные формы вещества будут превращаться в беспорядочное излучение, а энтропия излучения будет постоянно возрастать. В результате будет повышаться общее давление, оказываемое веществом и излучением на вселенную, и размер вселенной будет увеличиваться в каждой последующей максимальной точке расширения[15]. По мере развития циклов они становятся все больше и больше! Парадоксальным образом вселенная все приближается и приближается к критическому состоянию уплощенности, которое мы воспринимаем как следствие непомерного расширения. Если же оглянуться в прошлое, то мы увидим циклы, в которых вселенная была все меньше и меньше: предположение о ее начале во времени здесь оказывается излишним, хотя понятно, что жизнь могла возникнуть лишь после того, как циклы стали достаточно большими и достаточно длительными для формирования атомов и биологических элементов.
|
|
|
Довольно долго эта последовательность событий принималась за свидетельство того, что в прошлом вселенная не переживала бесконечного ряда пульсаций, поскольку возрастание энтропии в конце концов должно было сделать невозможным существование звезд и жизни (см., например, [20]), а число фотонов, которое мы измеряем в среднем по вселенной на каждый протон (около миллиарда), дает оценку производства энтропии в прошлом. Однако теперь мы знаем, что эта величина не обязательно должна возрастать от цикла к циклу. С ее помощью нельзя измерить возрастание энтропии. В момент обращения развития вселенной все смешивается, а в дальнейшем число протонов, сравниваемое с числом фотонов, устанавливается достаточно ранними процессами. Одной из проблем такого рода может оказаться проблема черных дыр. Если уж крупные черные дыры, вроде тех, что мы наблюдаем в центре многих галактик, включая Млечный Путь, формируются, они будут иметь тенденцию накапливаться во вселенной от цикла к циклу, становясь все массивнее, пока наконец не поглотят всю вселенную, конечно, при условии, что они не разрушаются при каждом обращении или не превращаются в отдельные «вселенные», которые мы не можем ни увидеть, ни ощутить гравитационно. Смолин [29] предложил занимательную схему, согласно которой, вслед за коллапсом черная дыра разворачивается в новую расширяющуюся вселенную, параметры физических констант в которой немного сдвинуты. В долгосрочной перспективе это может привести к возникновению целой популяции новых вселенных, преобладать в которой будут производящие больше всего черных дыр. Очень небольшие сдвиги в физических константах могут снизить производство черных дыр в нашей вселенной. Однако вполне возможно, что такие вселенные не допускают существования наблюдателей, поэтому наш сценарий должен звучать так: мы, скорее всего, находимся во вселенной, которая максимизирует производство черных дыр, при условии, что в ней могут существовать наблюдатели.
|
|
|
Любопытный постскриптум к истории циклических вселенных открыт недавно Мариушем Дабровски и мною [4]. Мы показали, что если космологическая константа Эйнштейна существует, то при любом, сколь угодно малом положительном значении ее эффект отталкивающей гравитации в конце концов прекратит пульсацию циклической вселенной. Осцилляции будут становиться все больше и больше, пока наконец вселенная не станет так велика, что космологическая константа возобладает над притяжением материи. Когда это случится, вселенная впадет в фазу ускоряющегося расширения, из которой она уже никогда не сможет выйти, если только в отдаленном будущем каким‑то таинственным образом не исчезнет вакуумная энергия, создающая давление космологической константы. Таким образом, при наличии положительной космологической константы пульсирующая вселенная может в конце концов избежать судьбы бесконечных осцилляции. Если в прошлом и существовало бесконечное число осцилляции, то в настоящем мы можем ожидать, что находимся в последнем бесконечно расширяющемся цикле, если только это тот самый цикл, в котором может существовать и развиваться жизнь.
Еще один путь, которым вселенная может избежать какого‑либо начала, — пережить экзотическую последовательность эволюционных шагов, созданных историей вечного расширения [27]. Не видно причин, по которым последовательность расширений, исходящая из уже расширяющихся доменов, вообще должна была иметь какое‑то общее начало. Для каждого отдельного домена возможно иметь историю, начинающуюся с определенного квантового события расширения, но весь процесс в целом может просто протекать стационарно — ныне и присно и во веки веков.
|
|
|
Рынок прогнозов
Всякий астроном, вступающий на рынок прогнозов, должен столкнуться со следующими вопросами:
• Будет ли «конец» или асимптота — в любом смысле?
• Идет ли речь только о «нашем» конце, о конце жизни вообще, о конце материи, пространства, времени или всей вселенной?
• Будет ли конец внезапным или постепенным?
• Возможны ли длительные циклы поведения вселенной или же естественного или искусственного отбора вселенных в какой‑либо форме?
• Будет ли в вечно расширяющейся вселенной что‑то постоянно меняться, или мы движемся к стазу?
• Каково влияние на вселенную существования космологической константы, или энергии космического вакуума?
Постепенный конец может стать результатом множества мелких и медленных перемен в природе вселенной, происходящих на протяжении эонов космического времени. Природные константы, текущие значения которых во многих случаях кажутся идеально «настроенными» на существование жизни, основанной на атомах, могут меняться, очень медленно, но все же меняться [37]. Возможно, рано или поздно они выйдут за пределы того узкого окна, что позволяет существовать стабильным атомам и звездам. Если существуют иные измерения пространства, то любые изменения в размерах этих неведомых нам измерений могут повлечь за собой перемены такого же масштаба в значениях тех «констант», которыми мы привыкли определять физическую природу в нашем трехмерном пространстве.
Мы уже начали понимать, сколь важные физические параметры, вроде баланса вещества и антивещества в космосе или количества основных природных сил, могут возникать из процесса нарушения симметрии, приводящего к весьма разным результатам в различных частях вселенной. Вселенная расширяется и стареет, и однажды это приведет к тому, что различные ее регионы, обладающие очень разными фундаментальными физическими характеристиками, столкнутся с драматическими результатами на границе.
|
|
|
Мы обнаружили свидетельства существования множества черных дыр, возникших в результате коллапса недолговечных массивных звезд, а также гигантских черных дыр в центрах галактик, где они растут, поглощая звезды и газ вокруг себя. Рано или поздно очень большая доля материи во вселенной может оказаться внутри черных дыр, однако не останется там навечно. Хокинг [22] показал, что черные дыры будут медленно «испаряться» — терять свою массу благодаря порождению квантовых частиц, возвращая в пространство релятивистские частицы и излучение в термальном спектре. Что происходит на последней, взрывной стадии этого процесса испарения — пока для нас загадка. На первый взгляд кажется, что в пространстве и времени останется единственная дыра, как после большого схлопывания. Если это так, значит, со временем вселенная окажется испещренной такими дырами в пространстве–времени — местами, где могут нарушаться законы природы. Из них может исходить все что угодно: фотоны, частицы, звезды, даже целые вселенные.
Все возможные внезапные и драматические концы — нас или вселенной вокруг нас — следует рассматривать, исходя из того, что признают возможным современные теории в области физики высоких и низких энергий. Состояние вакуума, в котором находится вселенная сейчас, признается низшим из возможных энергетических состояний — плодом последовательных нарушений симметрии, которые в прошлом опускали энергию вселенной все ниже и ниже. Но что, если нас ждут новые нарушения симметрии? Что, если нам угрожает следующее понижение с высокой вероятностью того, что вся вселенная внезапно изменится? Новый вакуум может иметь совсем иные характеристики, чем тот, что нам известен. Например, все частицы в нем могут быть лишены массы. Мы можем просто исчезнуть в мгновение ока[16]. Если расширение вселенной предоставило нам место на «мелком шельфе» потенциального ландшафта, — кто гарантирует, что внезапный толчок не столкнет нас с обрыва навстречу новому, более глубокому энергетическому минимуму? Высокоэнергетические события во вселенной вполне могут сыграть роль такого толчка.
Если столкновения звезд или черных дыр порождают космическое излучение достаточно высокой энергии, то это излучение способно спровоцировать переход целой области пространства в новый вакуум [23, 35]. Конечно, это изображение вакуумного ландшафта спекулятивно. Мы недостаточно знаем этот ландшафт в целом, чтобы с уверенностью говорить о том, находимся ли мы уже на нижнем уровне или существуют иные вакуумы, в которые случайно либо целенаправленно может провалиться состояние материи нашего мира. Когда воображаешь себе эту радикальную возможность необъявленной перемены в базовых характеристиках сил природы, возникает искушение изобразить ее в виде логического завершения идеи прерывистого равновесия, предложенной Нильсом Элдриджем и Стивеном Джеем Гулдом [15]. Они предположили, что ход биологической эволюции, идущей на земле путем естественного отбора, представляет собой не ровный поступательный процесс, а серию медленных изменений, перемежаемых внезапными скачками. Его можно представить себе, как движение предмета, влекомого некоей сторонней силой, вверх–вниз по крутым горкам. Паттерн изменений в этих условиях выглядит так: медленный подъем в гору, затем, по достижении вершины — быстрый прыжок на склон следующей горы и снова медленный равномерный подъем [1].
|
|
|
Тесная связь нашей формы биохимической жизни с весьма специфическими совпадениями значений и свойств различных сил природы означает, что любое изменение состояния вакуума, скорее всего, обернется для нас катастрофой. Мы окажемся в новом мире, где могут существовать иные формы жизни, но нет никаких оснований полагать, что они окажутся лишь малым эволюционным отклонением от наших биохимических форм.
Если вселенная двигается в этом направлении, то, возможно, в один из будущих эонов ее ждет потрясение. Что касается загадки, почему сила лямбда должна вступить в игру так скоро, то кажется маловероятным, чтобы эпоха, в которую «падение»
может произойти, была близка ко времени существования человечества во вселенной, — разве что она как‑то связана с лямбдой или присутствие жизни способно как‑то ускорить это великое падение. Одним словом, пессимисты, не отчаивайтесь: все может быть еще хуже, чем вы думаете.
В физике элементарных частиц мы привыкли к догме, что всякая нарушенная симметрия при наличии достаточно высокой энергии в конце концов восстанавливается. Однако мы не считаем, что асимметрии рано или поздно нарушаются при низком уровне энергий и температур. Возможно, это убеждение неверно. Если всякая симметрия нарушается при достаточно низких температурах, то вполне возможно, что в отдаленном будущем, когда вселенная существенно остынет, U(l) симметрия электромагнетизма нарушится, придав всем фотонам положительную массу. Результаты могут быть столь же драматичны. Столь же внезапным может быть конец, если мы натолкнемся на локальную сингулярность пространства–времени или будем застигнуты подступающей гравитационной ударной волной.
Но самое замечательное, что может произойти в вечно расширяющейся вселенной с бесконечным будущим, — это способность образовать квантовый тоннель обратно в «ничто». Сейчас многие квантовые космологи пытаются объяснить вселенную как в некотором смысле выскочившую из «ничего». В большинстве современных сценариев этого события вероятность появления чего‑то из ничего гораздо больше, чем вероятность появления ничего из чего‑нибудь. Однако при бесконечном времени ожидания любой процесс, вероятность которого конечна, рано или поздно произойдет.
Будущее вакуума
Вакуумная энергия вселенной, проявляющаяся в общей теории относительности Эйнштейна как космологическая константа, может «отменить» момент возникновения вселенной, оказывать влияние на начальные моменты ее жизни и управлять ее расширением в настоящее время. Но самый значительный ее эффект еще впереди: это — власть над будущим вселенной. Энергия вакуума, проявляющаяся как космологическая константа Эйнштейна, останется константой и тогда, когда все прочие вклады в плотность вещества во вселенной: звезды, планеты, излучение, черные дыры будут рассеяны благодаря расширению. Если (как следует из наших наблюдений) энергия космического вакуума сравнительно недавно дала начало ускоряющемуся процессу расширения вселенной и это расширение будет продолжаться вечно, значит, в будущем ее власть возрастет до непреодолимой силы. Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее — вечно. Все быстрее будет падать температура, а звезды будут истощать свои запасы ядерного топлива и взрываться, оставляя после себя лишь плотные мертвые тела из тесно упакованных холодных атомов или концентрированных нейтронов либо крупные черные дыры. Даже гигантские галактики и скопления галактик постигнет та же судьба: по мере того как движение составляющих их звезд будет постепенно замедляться благодаря утечке гравитационных волн и излучения, они начнут спирально закручиваться внутрь себя. Огромные черные дыры в их центре будут поглощать все звезды, всю материю вокруг себя и становиться все больше. Наконец все эти черные дыры испарятся благодаря процессу, открытому Хокингом.
Удивительнее всего в космической энергии вакуума то, что в конце концов она побеждает все иные формы материи и энергии в борьбе за определение формы пространства и скорости расширения вселенной. Неважно, какова была структура вселенной в былые дни, прежде чем пришла к власти энергия вакуума; как все дороги древности вели в Рим, так и все вечно расширяющиеся вселенные стремятся к одной вполне определенной ускоряющейся вселенной, так называемой вселенной де Ситтера по имени Виллема де Ситтера, знаменитого голландского астронома, нашедшего в 1917 году это решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Эта вселенная отличается тем, что она — самая симметричная из всех возможных.
Это свойство ускоряющейся вселенной — потерю памяти о том, как она начиналась, иногда называют «характеристикой космической безволосости». Этот забавный термин подчеркивает тот факт, что все ускоряющиеся вселенные становятся одинаковыми: они не сохраняют индивидуальных отличительных черт (метафорически говоря, причесок). Это неотвратимое соскальзывание в одно–единственное будущее состояние сигнализирует о том, что при ускорении вселенной происходит потеря информации. Расширение идет так быстро, что информационное содержание сигналов, посылаемых через вселенную, также максимально быстро деградирует. Все сглаживается; различия в скорости расширения в разных направлениях при достаточно высокой скорости исчезают; распределение материи в космосе не создает новых участков сгущения; местное гравитационное притяжение проигрывает последнюю битву с непреодолимым отталкиванием, обусловленным силой лямбда.
Такое действие ускоряющегося космологического расширения имеет важные последствия для любых рассуждений о жизни в отдаленном будущем. Если жизнь требует для своего существования накопления и обработки информации, то мы должны спросить себя, всегда ли вселенная будет предоставлять условия для этого. Дайсон [13], а также Бэрроу и Типлер ([6], глава 10) показали, что при отсутствии энергии вакуума, когда расширение не ускоряется, имеются широкие возможности для сохранения этой самой основной формы жизни. Информация может храниться в состоянии элементарных частиц, которые приспособлены для этого гораздо лучше, чем наши нынешние компьютеры. Для неограниченного продолжения обработки информации живым системам необходимо создавать и поддерживать отклонения от абсолютной однородности температуры и энергии во вселенной[17]. При отсутствии ускоряющей энергии вакуума это всегда возможно, хотя, вероятно, и требует, чтобы жизнь использовала разницу гравитационных энергий, поддерживающую разность скоростей расширения вселенной на разных направлениях. Плотность энергии, поддерживающая эти различия, падает намного медленнее, чем у любой обычной формы материи. Небольшие отклонения в скорости расширения вселенной на различных направлениях могут привести к тому, что излучение будет охлаждаться с немного разной скоростью в разных направлениях. Этот температурный градиент можно будет использовать для совершения работы или для обработки информации. Конечно, это не означает, что жизнь в какой бы то ни было форме будет существовать вечно [11], не говоря уж о том, что она должна существовать вечно; речь идет лишь о логической и физической возможности, основанной на известных нам законах физики и предполагающей отсутствие энергии вакуума, пронизывающей вселенную.
Однако, как показали Бэрроу и Типлер (см. [6], р. 668), если энергия вакуума существует, все меняется — и меняется к худшему. Всякая эволюция неизбежно ведет к однородному состоянию, характеризующему ускоряющуюся вселенную де Ситтера. Обработка информации не может длиться вечно: она должна прекратиться. Чем ближе подходит материальная вселенная к состоянию однородности, тем меньше в ней полезной энергии будет доступно. Если энергия вакуума существует, но во вселенной недостаточно вещества, чтобы превратить ее расширение в сжатие прежде, чем энергия вакуума обретет контроль над расширением и начнет ускорять его[18], то вселенная, по–видимому, обречена на безжизненное будущее. Рано или поздно ускорение приводит к появлению коммуникационных барьеров. Мы уже не сможем получать сигналы из отдаленных областей вселенной. Мы окажемся как бы внутри черной дыры. Та часть вселенной, которая сможет влиять на нас (или на наших потомков) и с которой мы (они) сможем вступать в контакт, будет конечной. Чтобы избежать этого клаустрофобического будущего, было бы нужно уменьшение энергии вакуума. Мы полагаем, что она всегда должна оставаться постоянной, но возможно, что она незаметно уменьшается. Или, может быть, в один прекрасный день она внезапно перейдет в излучение и обычные формы вещества, и оставленная в покое вселенная понемногу соберется с силами и будет постепенно использовать гравитацию для того, чтобы вновь собирать материю, обрабатывать информацию. Однако возможно, что последствия будут и не столь благоприятны. Мы уже видели, что исчезновение энергии вакуума может предвещать падение вселенной даже на еще более низкий энергетический уровень, которому будут сопутствовать резкие перемены в ее физической природе. Возможно даже, что вакуум перейдет в новый вид материи, обладающий еще большей отталкивающей силой, чем сила лямбда. Если ее давление будет еще более негативным, в будущем нас ждут драматические события. Через какое‑то конечное время расширяющаяся вселенная может превратиться в сингулярность бесконечной плотности[19].
Изменчивые константы
Когда мы оцениваем долгосрочные космологические перспективы, важно точно знать, что в космосе не может измениться, сколько бы мы ни ждали. Такие неизменные величины у физиков принято называть «природными константами». Предполагается, что они всегда одни и те же. Существуют различные полученные в наблюдениях и экспериментах строгие ограничения, которые подтверждают это предположение, и стандартные модели физики элементарных частиц и космологии большого взрыва исходят именно из этой неизменности. Однако, если одной или нескольким из этих констант суждено измениться, пусть величина изменения сейчас и кажется совершенно незначительной для каких бы то ни было практических целей, в отдаленном будущем это может радикально изменить картину нашей вселенной. До недавних пор у нас не было никаких положительных свидетельств того, что некоторые традиционные природные константы — не просто константы. Разрабатывались теории, рассматривающие последствия изменений G, гравитационной постоянной Ньютона, но этот вопрос ставился преимущественно в чисто теоретическом ключе с целью установить ограничения на допустимые вариации с помощью наблюдательных данных. Однако, к общему изумлению, серия тщательных наблюдательных исследований [37, 38, 39] показала, что в красном смещении, между единицей и тройкой, тонкая структура становится приблизительно на семь миллионных долей меньше.
Теоретическое исследование [7, 8] этой ситуации открыло весьма необычную черту вселенных с изменчивостью таких констант, как константа тонкой структуры α или G. Если вселенная плоская и ее космологическая константа равна нулю, то значение α будет оставаться постоянным в раннюю эру излучения, но начинает изменяться в пылевую эру, пока кривизна вселенной или энергия вакуума не начнут влиять на расширение. Когда кривизна вселенной или энергия вакуума контролируют расширение, все изменения а прекращаются. Таким образом, для жизни может быть существенно, что кривизна или энергия вакуума в нашей вселенной не слишком малы [20]. Поскольку чем меньше эти эффекты, тем дольше будет возрастать значение α.
В конце концов оно станет слишком большим для существования атомов, и возможность жизни, как мы ее знаем, будет утеряна. В космологической истории существует определенная ниша для существования жизни, основанной на атомных структурах [9]. Существование крайне малого уровня пространственной кривизны, создающего открытую вселенную, или ненулевой энергии вакуума предотвращает возрастание константы альфа и позволяет атомам существовать в течение намного более долгих сроков.
Эти соображения показывают, что для создания достоверных и долгосрочных прогнозов о будущем вселенной и тех форм материи, которые смогут в ней существовать, необходимо полностью понимать феномен постоянства традиционных природных констант.
|
|
|
