Это то, что делает плоскую Вселенную такой особенной. В такой Вселенной положительная энергия движения в точности компенсируется отрицательной энергией гравитационного притяжения.
Когда мы начинаем усложнять, позволяя пустому пространству иметь энергию, простая ньютоновская аналогия с мячом, подброшенным в воздух, становится некорректной, но вывод остается по существу таким же самым. В плоской Вселенной, даже с небольшой космологической постоянной, при условии, что масштаб достаточно мал, чтобы скорости были намного меньше скорости света, ньютоновская гравитационная энергия, связанная с каждым объектом во Вселенной, равна нулю.
Фактически, с энергией вакуума «бесплатный обед» Гута становится еще более драматичным. Когда каждая область Вселенной расширяется до всё больших размеров, она становится все ближе и ближе к плоской, так что суммарная ньютоновская гравитационная энергия всего, что получается, после того как энергия вакуума во время инфляции преобразуется в материю и излучение, становится точно равной нулю.
Но вы все равно можете спросить, откуда берется вся та энергия, которая поддерживает плотность энергии постоянной при инфляции, когда Вселенная растет в геометрической прогрессии? Здесь действует еще один замечательный аспект общей теории относительности. Мало того, что гравитационная энергия объектов может быть отрицательной, но и их релятивистское «давление» может быть отрицательным.
Отрицательное давление еще труднее представить, чем отрицательную энергию. Газ, скажем, в воздушном шаре, оказывает давление на стенки шара. При этом, если он расширяет стенки шара, он совершает над шаром работу. Эта работа заставляет газ терять энергию и охлаждаться. Тем не менее, оказывается, что энергия пустого пространства является гравитационно отталкивающей, именно потому, что она заставляет пустое пространство оказывать «отрицательное» давление. В результате этого отрицательного давления Вселенная фактически совершает работу над пустым пространством, когда оно расширяется. Эта работа идет на поддержание постоянной плотности энергии пространства, даже при расширении Вселенной.
Таким образом, если квантовые свойства материи и излучения, оказалось, с очень ранних времен обеспечивают энергией даже бесконечно малую область пустого пространства, эта область может расти, становясь сколь угодно большой и сколь угодно плоской. Когда инфляция закончилась, мы получили Вселенную, полную вещества (материи и излучения), а суммарная ньютоновская гравитационная энергия этого вещества настолько близка к нулю, насколько только можно себе представить.
Поэтому, когда всё прояснилось, и после века исследований, мы измерили кривизну Вселенной и обнаружили, что она равна нулю. Вы можете понять, почему столь многие теоретики, такие как я, обнаружили, что это не только приносит большое удовлетворение, но и очень многообещающе.
Вселенная из ничего… действительно из ничего.
Глава 7. Наше печальное будущее
В каком-то смысле и замечательно, и интересно оказаться во Вселенной, в которой господствует ничто. Структуры, которые мы можем видеть, такие как звезды и галактики, все были созданы квантовыми флуктуациями из ничего. И средняя суммарная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта в нашей Вселенной равна нулю. Наслаждайтесь этой мыслью, пока можете, если вы к ней склоняетесь, потому что если все это правда, то мы живем, пожалуй, в худшей из всех Вселенных, в которых можно жить, по крайней мере, что касается будущей жизни.
Помните, еще столетие назад Эйнштейн впервые разработал свою общую теорию относительности. Затем было расхожее мнение, что наша Вселенная статична и вечна. На самом деле, Эйнштейн не только высмеивал Леметра за предположение о Большом Взрыве, но и изобрел космологическую постоянную, чтобы сделать возможной статичную Вселенную.
Теперь, спустя столетие, мы, ученые, можем ощущать самодовольство за то, что открыли основополагающее расширение Вселенной, реликтовое излучение, темную материю и темную энергию.
Но что готовит нам будущее?
Поэзия… своего рода.
Напомню, что преобладание расширения нашей Вселенной за счет энергии, казалось бы, пустого пространства было выведено из факта, что это расширение ускоряется. И, как и при инфляции, описанной в предыдущей главе, наша наблюдаемая Вселенная находится на пороге расширения со скоростью быстрее, чем со скорость света. И со временем, из-за ускоренного расширения, все будет только хуже.
Это означает, что, чем дольше мы ждем, тем меньше мы сможем увидеть. Галактики, которые мы можем видеть сейчас, в один прекрасный день в будущем начнут удаляться от нас быстрее скорости света, что означает, что они станут для нас невидимыми. Свет, который они излучают, не сможет успевать за расширением пространства, и он никогда не достигнет нас снова. Эти галактики исчезнут с нашего горизонта.
Всё это будет немного иначе, чем вы можете себе представить. Галактики исчезнут или потухнут в ночном небе не внезапно. Скорее, по мере приближения скоростей их разбегания к скорости света, свет от этих объектов станет все больше смещаться в красную область. В конце концов, весь их видимый свет будет перемещаться в область инфракрасных, микро-, радиоволн, и так далее, пока длина волны света, который они излучают, не станет больше размера видимой Вселенной, и в этот момент они официально станут невидимыми.
Мы можем рассчитать, сколько времени это займет. Поскольку галактики в нашем местном скоплении галактик связаны друг с другом взаимным гравитационным притяжением, они не будут удаляться с фоновым расширением Вселенной, обнаруженным Хабблом. Галактики, расположенные в непосредственной близости от нашей группы, находятся на расстоянии примерно 1/5000 расстояния до точки, где скорость удаления объектов приближается к скорости света. Им потребуется около 150 миллиардов лет, примерно в 10 раз больше возраста Вселенной, чтобы попасть туда, где весь свет от звезд внутри галактик примерно в 5000 раз дальше сместится в красную область. Примерно через 2 триллиона лет их свет сместится в красную сторону на величину, которая сделает их длину волны равной размеру видимой Вселенной, и остальная часть Вселенной буквально исчезнет.
Может показаться, что два триллиона лет — долгое время, и это так. Однако в космическом смысле это далеко не вечность. Наиболее долгоживущие звезды «главной последовательности» (имеющие такую же эволюционную историю, как наше Солнце) живут гораздо дольше, чем наше Солнце, и будут по-прежнему светить через 2 триллиона лет (даже когда наше Солнце умрет примерно всего лишь через 5 миллиардов лет). И поэтому в далеком будущем на планетах вокруг этих звезд могут быть цивилизации, питаемые солнечной энергией, с водой и органическими веществами. И на этих планетах могут быть астрономы с телескопами. Но когда они посмотрят на космос, по сути всё, что мы можем теперь видеть, все 400 млрд. галактик, населяющих сейчас нашу видимую Вселенную, исчезнет!
Я попытался использовать этот аргумент в Конгрессе, чтобы призвать к финансированию космологии сейчас, пока у нас еще есть время наблюдать все, что мы можем! Для конгрессменов, однако, и два года — это очень долго. А два триллиона невообразимо.
В любом случае, для этих астрономов в далеком будущем было бы большим сюрпризом, если бы они получили какое-то представление о том, что они упустили, но они об этом не узнают. Потому что исчезнет не только остальная часть Вселенной, как мы с моим коллегой Робертом Шеррером из университета Вандербильта узнали несколько лет назад, но, по сути, все доказательства, говорящие нам, что мы живем в расширяющейся Вселенной, которая возникла с Большого Взрыва, также исчезнут, вместе со всеми свидетельствами существования темной энергии в пустом пространстве, которая будет ответственна за это исчезновение.
Тогда как менее чем столетие назад общепринятым еще считалось, что Вселенная была статичной и вечной, со звездами и планетами, возникающими и исчезающими, но на больших масштабах сама Вселенная в далеком будущем будет существовать, после того как все остатки нашей планеты и цивилизации, вероятно, будут выброшены на свалку истории, иллюзия, которую наша цивилизация испытывала до 1930 года, вернется снова, с удвоенной силой.
Есть три основных экспериментальных идеи, которые привели к эмпирической проверке Большого Взрыва, поэтому, даже если бы Эйнштейн и Леметр никогда не жили, мы были бы вынуждены признать, что Вселенная возникла в горячем и плотном состоянии: наблюдаемое расширение Хаббла; наблюдение космического микроволнового фонового излучения и наблюдаемое соответствие содержания легких элементов — водорода, гелия и лития — мы измерили во Вселенной со значениями, предсказывающими, что они были созданы в течение первых нескольких минут в истории Вселенной.
Давайте начнем с расширения Хаббла. Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется? Мы измеряем скорость разбегания далеких объектов в зависимости от расстояния до них. Тем не менее, как только все видимые объекты за пределами нашего локального скопления (в котором мы связаны гравитацией) исчезнут из нашего горизонта, у нас больше не будет никаких следов расширения — ни звезд, ни галактик, ни квазаров, ни даже больших облаков газа — которые могли бы отслеживать наблюдатели. Расширение будет настолько быстрым, что оно унесет из нашего поля зрения все объекты, которые в настоящее время от нас удаляются.
Кроме того, в масштабах примерно менее триллиона лет все галактики в нашей локальной группе объединятся в несколько крупных метагалактик. Наблюдатели в далеком будущем увидят более или менее точно то, что думали, что видят, наблюдатели в 1915 году: одинокую галактику со звездами и планетами, окруженную огромным, пустым, статичным космосом.
Напомню также, что все доказательства того, что пустое пространство обладает энергией, получены благодаря наблюдению ускорения нашей расширяющейся Вселенной. Но, опять же, без следов расширения ускорение нашей расширяющейся Вселенной будет ненаблюдаемым. Действительно, по странному стечению обстоятельств мы живем в единственной эре в истории Вселенной, когда присутствие темной энергии, пронизывающей пустое пространство, можно обнаружить. Правда, эта эра длится несколько сотен миллиардов лет, но в вечно расширяющейся Вселенной она представляет собой лишь мгновение космического ока.
Если предположить, что энергия пустого пространства приблизительно постоянна, как это было бы в случае с космологической постоянной, то в гораздо более ранние времена плотность энергии материи и излучения значительно превышала бы плотность энергии в пустом пространстве. Причина в том, что по мере расширения Вселенной плотность материи и излучения уменьшается вместе с расширением, потому что расстояние между частицами растет, так что становится меньше объектов в каждой единице объема. В ранние времена, скажем, более чем примерно 5-10 млрд лет назад, плотность материи и излучения была бы гораздо больше, чем сегодня. Поэтому во Вселенной в то время и ранее преобладали материя и излучение, с их последующим гравитационным притяжением. В таком случае, расширение Вселенной в эти ранние времена замедлилось бы, и гравитационное воздействие энергии пустого пространства было бы ненаблюдаемым.
К тому же, в далеком будущем, когда Вселенной будет несколько сотен миллиардов лет, плотность материи и излучения уменьшится еще больше, и можно подсчитать, что темная энергия будет иметь среднюю плотность во много тыс. млрд. раз больше, чем плотность всей остальной материи и излучения во Вселенной. К тому времени она будет полностью определять гравитационную динамику Вселенной на больших масштабах. Тем не менее, в том далеком будущем скорость расширения станет в сущности ненаблюдаемой. В этом смысле, энергия пустого пространства самой своей природой убеждает, что существует конечное время, в течение которого скорость расширения наблюдаема, и, на удивление, мы живем в это космологическое мгновение.
Что можно сказать о другом основополагающем аспекте Большого Взрыва, космическом микроволновом фоновом излучении, которое дает непосредственное представление о детстве Вселенной? Во-первых, поскольку, чем дальше, тем Вселенная расширяется все быстрее, температура реликтового излучения будет падать. Когда наблюдаемая сейчас Вселенная станет примерно в 100 раз больше, чем сейчас, температура реликтового излучения упадет в 100 раз, а его интенсивность, или плотность энергии, хранящейся в нем, упадет в 100 млн. раз, что приведет к тому, что тогда его будет в 100 миллионов раз труднее обнаружить, чем сейчас.
Но, в конце концов, мы смогли обнаружить реликтовое излучение среди всех других электронных шумов на Земле, и мы можем себе представить, что наблюдатели в далеком будущем будут в 100 миллионов раз умнее, чем те, которых мы прославляем сегодня, так что надежда еще есть. Увы, оказывается, что даже самый блестящий наблюдатель, какого можно себе представить, с самым чувствительным оборудованием, которое можно построить, все же фактически не сможет добиться успеха в далеком будущем. Причина в том, что в нашей галактике (или метагалактике, которая сформируется, когда наша галактика сольется со своими соседями, начиная с галактикой Андромеды примерно через 5 миллиардов лет) между звездами есть горячий газ, и этот газ ионизируется, поэтому в нем содержатся электроны, и он ведет себя подобно плазме. Как я описывал ранее, такая плазма непрозрачна для многих видов излучения.
Есть нечто, называемое «плазменной частотой», ниже которой излучение не может проходить сквозь плазму без поглощения. Основываясь на нынешней наблюдаемой плотности свободных электронов в нашей галактике, можно оценить плазменную частоту в нашей галактике, и если мы это сделаем, мы узнаем, что основная часть реликтового излучения от Большого Взрыва будет растянута ко времени, когда Вселенная достигнет возраста примерно в 50 раз больше современного, до достаточно длинных волн, и, следовательно, до достаточно низких частот, которые к тому времени будут ниже плазменной частоты нашей будущей (мета)галактики. После этого излучение по существу не сможет проникнуть в нашу (мета)галактику, чтобы его можно было наблюдать, независимо от упорства наблюдателя. Космическое микроволновое фоновое излучение тоже исчезнет.
Поэтому не будет никакого наблюдаемого расширения, никакого остаточного свечения Большого Взрыва. Но а как же обилие легких элементов — водорода, гелия и лития — которое также дает ясный след Большого Взрыва?
Действительно, как я описал в главе 1, всякий раз, когда я встречаю кого-то, кто не верит в Большой Взрыв, я люблю показать ему следующий рисунок, который я храню в виде карточки в моем бумажнике. Я тогда говорю: «Смотрите! Большой Взрыв был!»
Этот график выглядит очень сложно, я знаю, но он действительно показывает прогнозируемое относительное содержание гелия, дейтерия, гелия-3 и лития, по сравнению с водородом, исходя из нашего нынешнего понимания Большого Взрыва. Верхняя кривая, идущая вверх и вправо, отображает прогнозируемое содержание гелия, второго самого распространенного элемента во Вселенной (по весу) по сравнению с водородом (самым распространенным элементом). Следующие две кривые, идущие вниз и вправо, представляют прогнозируемое содержание соответственно дейтерия и гелия-3, не по весу, а по числу атомов, по сравнению с водородом. Наконец, нижняя кривая представляет прогнозируемое относительное содержание следующего легчайшего элемента, лития, опять же по числу атомов.
Эти прогнозируемые содержания нанесены в виде зависимости от предполагаемой общей плотности обычной материи (сделанной из атомов) во Вселенной сегодня. Если бы изменение этой величины не давало сочетания всех этих прогнозируемых содержаний элементов, которые соответствуют нашим наблюдениям, это было бы убедительным доказательством против того, что они созданы в горячем Большом Взрыве. Обратите внимание, что предсказанные содержания этих элементов варьируют почти на 10 порядков.
Незаштрихованные прямоугольники, связанные с каждой кривой, представляют допустимый диапазон фактически установленного изначального содержания этих элементов, основанного на наблюдениях старых звезд и горячего газа внутри и за пределами нашей галактики.
При этом вертикальная заштрихованная полоса представляет собой ту область, где все прогнозы согласуются с наблюдениями. Трудно себе представить более реальное подтверждение, чем это соответствие между предсказаниями и наблюдениями, к тому же для элементов, прогнозируемое содержание которых варьируется на 10 порядков, для раннего, горячего Большого Взрыва, когда все легкие элементы были недавно созданы.
Стоит повторить смысл этого замечательного соответствия более настойчиво: только в первые секунды горячего Большого Взрыва, с начальным обилием протонов и нейтронов, давшим в результате что-то очень близкое к наблюдаемой плотности вещества в видимых галактиках сегодня, и плотностью излучения, оставившего след, который в точности соответствует наблюдаемой интенсивности космического микроволнового фонового излучения сегодня, только тогда могли происходить ядерные реакции, которые могли создать именно такое количество легких элементов, водорода и дейтерия, гелия и лития, которое, как мы полагаем, содержится в основных строительных блоках звезд, наполняющих ночное небо сейчас.
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.