Книги
Всё из ничего
Я понимаю, что на первый взгляд картинка очень сложная, но на самом деле она показывает прогноз относительной распространенности гелия, дейтерия, гелия-3 и лития-7 по сравнению с водородом на основании нашего нынешнего представления о Большом взрыве. Верхняя кривая, которая уходит вправо и вверх, показывает прогноз количества (по весу) гелия, второго по распространенности элемента во Вселенной по сравнению с водородом (самым распространенным элементом). Две другие кривые, которые уходят вправо вниз, отражают прогноз количества дейтерия и гелия-3 соответственно, но не по весу, а по числу ядер по сравнению с водородом. Наконец, последняя, нижняя, кривая отражает прогноз распространенности следующего по весу элемента – лития – опять же по числу ядер.
Прогноз распространенности показан как функция предполагаемой полной плотности обычного (состоящего из атомов) вещества в нынешней Вселенной. Если бы ни при каком значении плотности не получалось той комбинации предсказанного обилия элементов, что соответствует нынешним наблюдениям, это было бы сильным доводом против того, что они возникли в результате сверхвысоких температур при Большом взрыве. Обратите внимание, что предсказанная распространенность этих элементов колеблется в пределах почти 10 порядков.
Прямоугольники на каждой кривой отражают допустимый диапазон реальной первичной распространенности этих элементов по оценкам, основанным на наблюдениях старых звезд и горячего газа в нашей Галактике и за ее пределами.
Вертикальная темная полоса показывает область параметров, где все предсказания согласуются с наблюдениями. Трудно представить себе более конкретный довод, нежели соответствие предсказаний и наблюдений для элементов, количество которых может варьироваться на 10 порядков, в пользу того, что все легкие элементы возникли в «печке» Большого взрыва.
Пожалуй, стоит проговорить более четко, какие выводы следуют из этого примечательного соответствия. Только в первые горячие секунды Большого взрыва, при условии что первоначальное количество протонов и нейтронов было именно таким, чтобы в видимых галактиках получилась наблюдаемая сейчас плотность вещества или очень близкая к ней, и что плотность излучения была именно такой, чтобы получилась наблюдаемая сейчас интенсивность реликтового излучения, могли идти те ядерные реакции, которые дали в точности такую распространенность легких элементов – водорода, дейтерия, гелия и лития, которая, как мы полагаем, составила основной строительный материал звезд, заполняющих сегодня ночное небо.
Как сказал бы Эйнштейн, лишь крайне зловредный (а посему, с его точки зрения, невообразимый) Бог мог бы нарочно создать Вселенную, в которой все так однозначно указывает ее происхождение в Большом взрыве, не осуществив сам этот взрыв.
В самом деле, когда в 1960-е гг. было доказано, что предполагаемая распространенность гелия во Вселенной примерно совпадает с величиной, которая получается в расчетах, основанных на предположении, что гелий появился в результате Большого взрыва, это стало одним из важнейших доводов, позволивших концепции Большого взрыва одержать победу над очень популярной тогда стационарной моделью Вселенной, которую продвигали Фред Хойл и его сотрудники.
Однако в далеком будущем все будет иначе. Отметим, что звезды сжигают водород и производят гелий. С момента Большого взрыва и до настоящего времени лишь 15 % всего наблюдаемого во Вселенной гелия могло выработаться в звездах, и это, повторяю, очень убедительный довод, что для получения того, что мы видим сегодня, нужен был Большой взрыв. Но в далеком будущем все будет не так, поскольку родится и умрет много новых поколений звезд.
Например, когда Вселенной исполнится 1 трлн лет, в звездах будет выработано гораздо больше гелия, чем получилось в результате собственно Большого взрыва. Это видно из приведенной ниже диаграммы.
Когда 60 % видимого вещества во Вселенной станет составлять гелий, не будет никакой необходимости в производстве первоначального гелия в горячих условиях Большого взрыва, чтобы добиться соответствия теории и наблюдений.
Зато наблюдатели и теоретики из цивилизации в далеком будущем смогут на основании этих данных сделать вывод, что возраст Вселенной конечен. Поскольку звезды сжигают водород и преобразуют его в гелий, существует верхний предел продолжительности существования звезд – иначе доля водорода по отношению к гелию оказалась бы еще ниже. Таким образом, ученые будущего должны будут заключить, что возраст Вселенной не превышает примерно 1 трлн лет. Однако никаких непосредственных признаков того, что все началось с Большого взрыва, а не с какого-то другого спонтанного события, ставшего причиной возникновения единственной «супергалактики» будущего, у них не будет.
Вспомним, что Леметр вывел идею Большого взрыва исключительно из размышлений над ОТО Эйнштейна. Мы вправе предположить, что любая развитая цивилизация в далеком будущем откроет законы физики, электромагнетизм, квантовую механику и ОТО. Найдется ли в ней свой Леметр, который выдвинет подобную гипотезу?
Вывод, который сделал Леметр, – что наша Вселенная началась с Большого взрыва, – был неизбежен, однако основывался он на допущении, которое не будет истинным для наблюдаемой Вселенной далекого будущего. Вселенная, где вещество равномерно распределено по всем направлением, Вселенная изотропная и однородная не может быть стационарной по причинам, которые понял Леметр, а вслед за ним и Эйнштейн. Однако существует прекрасное решение уравнений Эйнштейна для одной-единственной массивной системы, окруженной пустым статичным пространством. Ведь если бы такого решения не было, ОТО не могла бы описывать изолированные объекты вроде нейтронных звезд или, в конце концов, черных дыр.
Системы, где распределены большие массы, – вроде нашей Галактики – нестабильны, поэтому в конечном итоге наша Галактика (или сверхгалактика) сколлапсирует и превратится в массивную черную дыру. Это описывает статическое решение уравнения Эйнштейна, которое называется «решение Шварцшильда». Однако время, необходимое Галактике, чтобы схлопнуться и превратиться в черную дыру, гораздо больше, чем время, за которое исчезнет вся остальная Вселенная. А это значит, что ученым будущего покажется естественной гипотеза, что наша Галактика существовала 1 трлн лет в пустом пространстве, не испытывая существенного сжатия, и такая картина не требует, чтобы Вселенная вокруг расширялась.
Разумеется, строить какие-то умозаключения о будущем очень трудно, это всем известно. Сейчас, когда я пишу эти строки, в Швейцарии, в Давосе, проходит Всемирный экономический форум, где полным-полно экономистов, которые постоянно предсказывают поведение рынков в будущем и постоянно пересматривают свои прогнозы, когда они оказываются катастрофически ошибочными. А в целом мне кажется, что любые предсказания, касающиеся науки и технологии отдаленного и даже не столь отдаленного будущего, даже более неполны и ненадежны, чем прогнозы самой ужасной из наук – экономики. И вообще, когда меня спрашивают о ближайшем будущем науки или о том, каким будет ближайшее крупное научное открытие, я всегда отвечаю: «Знал бы – сам бы сейчас над этим работал!»
Поэтому мне приятно думать, что картина, которую я здесь описал, очень похожа на то, как описывал будущее третий призрак из «Рождественской песни» Диккенса. Это не более чем
Но если основываться на всем том, что нам известно о Вселенной сегодня, будущее, которое я очертил, наиболее правдоподобно. Очень интересно размышлять, сумеют ли ученые будущего, вооружившись логикой, здравым смыслом и эмпирическими данными, все же сделать верные выводы о природе Вселенной или же она так и останется навеки скрытой за горизонтом. Какой-нибудь гениальный ученый будущего, исследуя фундаментальную природу сил и частиц, сумеет, возможно, вывести теоретическую картину, предполагающую, что когда-то была инфляция или что в пустом пространстве должна быть энергия, а это объяснит, почему в пределах горизонта видимости нет галактик. Но я в этом, увы, совсем не уверен.
Ведь физика – наука прежде всего эмпирическая, движимая экспериментами и наблюдениями. Если бы мы не вывели существование темной энергии из наблюдений, сомневаюсь, что у какого-нибудь теоретика хватило бы сегодня храбрости заявить о ее существовании. И хотя возможно также представить себе косвенные намеки на то, что у картины единственной галактики в стационарной Вселенной без Большого взрыва проявятся какие-то недостатки, например явно аномальные данные о наблюдаемой распространенности элементов, подозреваю, что бритва Оккама заставит считать верной самую простую картину, а аномалии наблюдений удастся объяснить какими-то локальными особенностями.
С тех пор как мы с Бобом Шеррером подняли вопрос о том, что ученые будущего станут опираться на опровержимые данные и модели, согласно всем стандартам научного метода, однако в процессе получат неверную картину Вселенной, многие наши коллеги пытались предложить разные способы проверить в далеком будущем, расширяется ли Вселенная. Я и сам могу представить себе возможные эксперименты. Но не понимаю, откуда возьмутся убедительные стимулы их проводить.
Например, может потребоваться вышвырнуть из нашей Галактики яркие звезды, запустить их в дальний космос, подождать примерно 1 млрд лет, чтобы они взорвались[22], и попытаться пронаблюдать скорость их удаления как функцию расстояния, которое они пройдут, прежде чем взорваться, чтобы разобраться, не поспособствовало ли их удалению возможное расширение пространства. Задача не из простых, но, даже если вообразить, что это можно проделать, я не могу представить себе, чтобы какой-нибудь Национальный научный фонд будущего выделил средства на подобный эксперимент, не имея более убедительной мотивации для споров о расширении Вселенной. И если даже звезды будут вылетать из нашей Галактики по каким-то естественным причинам и можно будет наблюдать их движение к горизонту, мне неясно, будет ли аномальное ускорение таких объектов истолковано как доказательство столь странной и смелой гипотезы, как расширение Вселенной под воздействием темной энергии.