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.
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.
Тем не менее, я должен отметить, что, хотя неполные данные могут привести к ложной картине, это сильно отличается от (ложной) картины, получаемой теми, кто предпочитает игнорировать эмпирические данные, выдумывая картину создания, которая противоречит доказательствам реальности (например, младоземельными креационистами), или теми, кто вместо этого требует существования чего-то, для чего нет никаких наблюдаемых доказательств (вроде божественного разума), чтобы примирить свой взгляд на создание со своими априорными предубеждениями, или, что еще хуже, теми, кто цепляется за сказки о природе, предполагающие ответы на вопросы, быстрее, чем их спрашивают. По крайней мере, ученые будущего будут основывать свои оценки на лучших доказательствах, имеющихся в их распоряжении, признавая, как и все мы, или, по крайней мере, как это делают ученые, что новые доказательства могут заставить нас изменить нашу основоположную картину реальности.
В связи с этим стоит добавить, что даже сегодня, возможно, нам не хватает чего-то, что мы могли бы наблюдать, если бы жили 10 миллиардов лет назад, или могли бы видеть, если бы жили на 100 млрд лет позже. Тем не менее, я должен подчеркнуть, что картина Большого Взрыва слишком прочно опирается на данные из каждой области, чтобы была доказана ее недействительность в основных компонентах. Но какое-нибудь новое, тонкое понимание мелких деталей в далеком прошлом или отдаленном будущем, или понимание происхождения Большого Взрыва и его возможной уникальности в пространстве, может легко появиться, если будут новые данные. На самом деле, я надеюсь, что так и будет. Один из уроков, который мы можем извлечь из возможного будущего конца жизни и разума во Вселенной — что мы должны иметь некоторые космическую скромность в своих притязаниях, даже если для космологов это трудно.
В любом случае, сценарий, который я только что описал, имеет определенную поэтическую гармонию, даже если он одновременно трагичен. В далеком будущем ученые получат картину Вселенной, которая будет выглядеть как та, что мы имели в начале прошлого века, что само по себе, в конечном счете, служило катализатором для исследований, которые привели к современной революции в космологии. Космология вернется к исходной точке. Я, например, считаю, что это замечательно, даже если это подчеркивает, что наш краткий звездный час может выглядеть в итоге тщетным.
Несмотря на это, основная проблема, которую демонстрирует возможный будущий конец космологии — это то, что у нас есть только одна Вселенная для исследований — та, в который мы живем. Хотя мы и должны ее исследовать, если хотим иметь какую-то надежду понять, как появилось то, что мы сейчас наблюдаем, мы, тем не менее, ограничены как в том, что мы можем исследовать, так и в нашей интерпретации данных.
Если существует много вселенных, и если бы мы могли как-то исследовать несколько из них, у нас было бы больше шансов узнать, какие наблюдения действительно значимы и фундаментальны, а какие возникли лишь случайно в нашей ситуации.
Как мы увидим дальше, если последняя возможность маловероятна, то первая — нет, и ученые устремляются вперед с новыми исследованиями и новыми предположениями, чтобы углубить наше понимание неожиданных и странных особенностей нашей Вселенной.
Однако прежде чем продолжить, стоит, пожалуй, закончить другой, более литературной картиной вероятного будущего, которое я представил здесь, картиной, которая имеет особое отношение к теме этой книги. Она представлена в ответе Кристофера Хитченса на сценарий, который я только что описал. Как он выразился: «Те, кто считает замечательным, что мы живем во Вселенной „чего-то“, погодите. Ничто движется встречным курсом прямо на нас!»
Глава 8: Великая случайность?
Мы запрограмированны думать, что все, что происходит с нами, знаменательно и важно. Нам приснилось, что друг сломает руку, и на следующий день мы узнаем, что он подвернул лодыжку. Ух ты! Грандиозно! Ясновидец?
Физик Ричард Фейнман любил подойти к людям и сказать: «Вы не поверите, что случилось со мной сегодня! Вы просто не поверите!» И когда они хотели точнее узнать, что произошло, он говорил: «Абсолютно ничего!» Под этим он подразумевал, что, когда сон, такой как я описал выше, сбывается, люди приписывают ему большое значение. Но они забывают огромное количество бессмысленных снов, которые им снились и которые не предсказали абсолютно ничего. Забывая, что большую часть времени в течение дня не происходит ничего, что было бы достойно внимания, мы затем неправильно истолковываем природу вероятности, когда что-то необычное все же происходит: среди любого достаточно большого числа событий что-то необычное должно происходить просто случайно.
Как это относится к нашей Вселенной?
До открытия, что, по непонятным причинам, энергия пустого пространства не только не нулевая, но принимает значение, которое на 120 порядков меньше, чем оценка, которую я дал на основе идей из предположений физики элементарных частиц, среди физиков была общепринятой точка зрения, что каждый измеренный нами в природе фундаментальный параметр является значимым. Под этим я подразумеваю, что, так или иначе, основываясь на основополагающих принципах, мы в конечном итоге сможем понять, почему гравитация настолько слабее других сил природы, почему протон в 2000 раз тяжелее электрона, и почему есть три семейства элементарных частиц. Иными словами, как только мы поймем фундаментальные законы, которые управляют силами природы на своих малых масштабах, все эти нынешние тайны будут раскрыты как естественные следствия этих законов.
(С другой стороны, чисто религиозные доводы могут приобрести крайне важный смысл, предполагая, что каждая фундаментальная константа имеет значение, потому что Бог, по-видимому, выбрал каждую из них, чтобы получить значение, необходимое в рамках божественного плана относительно нашей Вселенной.
В этом случае ничто является случайностью, но равным образом, ничто прогнозируемо или фактически объяснимо. Это аргумент высшего постановления, который ведет в никуда и не дает ничего полезного в плане физических законов, управляющих Вселенной, кроме как, возможно, приносит утешение для верующего.)
Но открытие, что пустое пространство имеет энергию, внесло корректировку во взгляды многих физиков на то, что в природе обязательно, а что может быть случайно.
Катализатор этого нового видения возникает из аргумента, который я привел в последней главе: темная энергия поддается изучению сегодня, потому что «сейчас» — единственное время в истории Вселенной, когда энергия в пустом пространстве сравнима с плотностью энергии в материи.
Почему мы должны жить в такое «особое» время в истории Вселенной? Действительно, это бросает вызов всему, что характеризовало науку со времен Коперника. Мы узнали, что Земля — не центр Солнечной системы, и что Солнце — это звезда на унылом внешнем краю галактики, которая является всего лишь одной из 400 млрд галактик в наблюдаемой Вселенной. Мы пришли к признанию «принципа Коперника», что нет ничего особенного в нашем месте и времени во Вселенной.
Но принимая во внимание энергию пустого пространства, какая она есть, мы, похоже, живем в особое время. Это лучше всего показано на следующей иллюстрации «Краткой истории времени».
Две кривые представляют плотность энергии всей материи во Вселенной и плотность энергии пустого пространства (предполагая, что это космологическая постоянная) как функцию времени. Как вы можете видеть, плотность вещества падает по мере расширения Вселенной (поскольку расстояния между галактиками становятся все больше, и материя поэтому «разрежается»), как вы и ожидали. Тем не менее, плотность энергии в пустом пространстве остается постоянной, потому что, можно утверждать, в пустом пространстве нет ничего, что можно было бы разбавить! (Или, как я уже несколько менее остроумно отмечал, Вселенная, расширяясь, действительно оказывает влияние на пустое пространство.) Две кривые пересекаются довольно близко к настоящему времени, что является источником странного совпадения, на которое я указывал.
Теперь рассмотрим, что произошло бы, если бы энергия в пустом пространстве была бы, скажем, в 50 раз больше, чем ее значение, рассчитанное нами сегодня. Тогда обе кривые пересекались бы в другое, более раннее время, как показано на рисунке ниже.