Вселенная из ничего - Лоуренс Краусс

Как мог бы выразиться Эйнштейн, только очень злонамеренный (и, следовательно, непостижимый в своих мыслях) Бог замыслил бы создать Вселенную, которая так однозначно указывает на происхождение от Большого Взрыва, которого якобы не было.

В самом деле, когда приблизительное соответствие между полученным и предсказанным содержанием гелия во Вселенной, возникшей в результате Большого Взрыва, было впервые продемонстрировано в 1960 году, это были одни из ключевых данных, которые помогли представлению о Большом Взрыве одержать верх над очень популярной на то время стационарной моделью Вселенной, отстаиваемой Фредом Хойлом и его коллегами.

В далеком будущем, однако, все будет совсем по-другому. Звезды, например, сожгут водород, произведя гелий. В настоящее время только около 15 процентов всего наблюдаемого гелия во Вселенной могло быть произведено звездами со времени Большого Взрыва — снова же, есть убедительные доказательства, что требовался Большой Взрыв, чтобы создать все, что мы видим. Но в далеком будущем все будет не так, потому что еще много поколений звезд будет жить и умирать.

Например, когда Вселенной будет триллион лет, в звездах будет произведено гораздо больше гелия, чем в самом Большом Взрыве. Эта ситуация отображается на следующей диаграмме:

Если 60 процентов видимой материи во Вселенной состоит из гелия, для получения соответствия с данными наблюдений будет не нужно, чтобы первичный гелий был создан в горячем Большом Взрыве.

Однако наблюдатели и теоретики какой-то цивилизации в далеком будущем смогут использовать эти данные, чтобы сделать вывод, что Вселенная должна иметь конечный возраст. Поскольку звезды сжигают водород в гелий, будет верхний предел того, как долго звезды могут существовать, чтобы дальше не исчерпать соотношение между водородом и гелием. Таким образом, будущие ученые будут считать, что Вселенной, в которой они живут, меньше чем около триллиона лет. Но любые прямые свидетельства, что начало предполагало Большой Взрыв, а не какой-то другое спонтанное зарождение нашей будущей единственной (метагалактики, будут отсутствовать.

Напомню, что Леметр вывел свое утверждение о Большом Взрыве чисто на основании размышлений об общей теории относительности Эйнштейна. Мы можем предположить, что любая развитая цивилизация в далеком будущем откроет законы физики, электромагнетизма, квантовой механики и общей теории относительности. В связи с этим, сможет ли какой-нибудь Леметр из далекого будущего вывести аналогичное утверждение?

Вывод Леметра, что наша Вселенная должна была возникнуть в Большом Взрыве, был неизбежен, но он был основан на предположении, которое не будет справедливо для наблюдаемой Вселенной в далеком будущем. Вселенная с материей, простирающейся равномерно во всех направлениях, изотропная и однородная, не может быть статичной, по причинам, которые признавал Леметр и в конечном итоге Эйнштейн. Тем не менее, есть вполне хорошее решение уравнений Эйнштейна для одной массивной системы, окруженной в остальном пустым, статичным пространством. В конце концов, если такого решения не было бы, то общая теория относительности не могла бы описать отдельные объекты, такие как нейтронные звезды или, наконец, черные дыры.

Большие рассеяния масс, как наша галактика, неустойчивы, поэтому в конечном итоге, наша (мета)галактика сама коллапсирует, сформировав массивную черную дыру. Это описывается статическим решением уравнения Эйнштейна, называемым решение Шварцшильда. Но время для коллапса нашей галактики и формирования массивной черной дыры гораздо дольше, чем время исчезновения для остальной Вселенной. Таким образом, для ученых будущего будет казаться естественным представить, что наша галактика могла существовать в течение триллионов лет в пустом пространстве без особого коллапса и не требуя вокруг себя расширяющуюся Вселенную.

Конечно, рассуждать о будущем, как известно, трудно. Фактически я пишу это на Всемирном экономическом форуме в Давосе, Швейцария, где полно экономистов, которые неизменно предсказывают поведение будущих рынков и пересматривают свои прогнозы, когда те оказываются ужасно неправильными. В целом, я считаю, любые предсказания далекого (и даже не очень далекого) будущего науки и техники еще более поверхностны, чем предсказания «мрачной науки экономики». Действительно, всякий раз, когда меня спрашивают о ближайшем будущем науки, или когда будет следующий большой прорыв, я всегда отвечаю, что если бы я знал, я бы работал над этим прямо сейчас!

Поэтому мне хотелось бы думать, что картина, которую я представил в этой главе, немного похожа на картину будущего, представленную третьим призраком в «Рождественской истории» Диккенса. Это будущее, каким оно могло бы быть. В конце концов, так как мы понятия не имеем, какая темная энергия пронизывает пустое пространство, мы поэтому также не можем быть уверены, что она будет вести себя как космологическая постоянная Эйнштейна и оставаться неизменной. Если это не так, будущее Вселенной может совершенно другим. Расширение может не продолжать ускоряться, а вместо этого, возможно, вновь замедлится с течением времени, так что далекие галактики не исчезнут. С другой стороны, возможно, будут какие-то новые наблюдаемые элементы, которые мы пока не можем обнаружить, и которые могут предоставить астрономам в будущем доказательства того, что Большой Взрыв когда-то был.

Тем не менее, на основе всего, что мы знаем о Вселенной сегодня, будущее, которое я обрисовал, является наиболее правдоподобным, и интересно рассмотреть вопрос, могут ли логика, разум, и эмпирические данные еще как-то помочь будущим ученым прийти к правильному пониманию природы нашей Вселенной, или же она навсегда останется скрытой за горизонтом. Некоторые блестящие ученые будущего, изучая фундаментальный характер сил и частиц, могли бы получить теоретическую картину, которая будет предполагать, что инфляция должна была произойти, или что должна быть энергия в пустом пространстве, что помогло бы объяснить, почему в пределах видимого горизонта нет галактик. Но я не слишком оптимистичен по этому поводу.

Физика, в конце концов, эмпирическая наука, движимая опытом и наблюдениями. Если бы мы в результате наблюдений не сделали вывод о существовании темной энергии, я сомневаюсь, что какой-либо теоретик был бы достаточно смелым, чтобы предложить ее существование сегодня. И хотя можно также представить себе экспериментальные следы свидетельств, которые могли бы подсказать, что что-то не так с картиной единственной галактики в статичной Вселенной без Большого Взрыва — возможно, некоторые наблюдения содержания элементов, которое покажется аномальным — я подозреваю, что бритва Оккама будет говорить, что простейшая картина правильна, и что аномальные наблюдения можно объяснить какими-то локальными эффектами.

С тех пор как мы с Бобом Шеррером изложили перспективу, что в будущем ученые будут использовать опровергаемые данные и модели — настоящий образец хорошей науки — но в процессе этого они представят ложную картину мироздания, многие наши коллеги пытались предложить способы проверить, что Вселенная действительно будет расширяться в далеком будущем. Я тоже могу представить себе возможные эксперименты. Но я не могу вообразить, что они были бы хорошо мотивированы.

Например, вам нужно будет выбросить яркие звезды из нашей галактики и отправить их в космос, подождать около миллиарда лет, чтобы они взорвались, и постараться определить скорость их разбегания в зависимости от расстояния, которого они достигнут, прежде чем взорваться, чтобы увидеть, получат ли они какой-либо дополнительный толчок от возможного расширения пространства. Трудная задача, но даже если вы можете себе вообразить кого-то, кто с ней справится, я не могу представить себе, что Национальный научный фонд в будущем будет действительно финансировать эксперимент без, по крайней мере, какой-либо другой мотивации для доказательства расширения Вселенной. И если какие-то из звезд нашей галактики будут самопроизвольно выброшены, и будет видно, как они перемещаются в сторону горизонта, для меня не очевидно, что наблюдение аномального ускорения некоторых из этих объектов будет интерпретировано в терминах такого смелого и странного предположения, как расширяющаяся Вселенная, в которой преобладает темная энергия.

Мы можем считать, что нам повезло, что мы живем в настоящее время. Или, как выразились мы с Бобом в одной из написанных нами статей: «Мы живем в совершенно особое время… единственное время, когда мы можем экспериментально проверить, что мы живем в совершенно особое время!»

Мы написали это немного в шутку, но трезвое размышление наводит на мысль, что можно иметь в своем распоряжении лучшие наблюдательные и теоретические инструменты и, тем не менее, прийти к совершенно ложному представлению о крупномасштабной Вселенной.