Будущее Вселенной

Первая гласила, что время существования Вселенной предопределено заранее, о чём сказано в Откровении Иоанна Богослова (Апокалипсисе). Сторонники другой версии считали, что Вселенная будет существовать вечно и после конца света Бог сотворит новые миры и новых людей, чтобы начать очередной цикл.

Научная эсхатология оформилась в XIX веке после того, как немецкий физик Рудольф Клаузиус в 1850 году вывел второе начало термодинамики. Оно гласило: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более тёплому». Получалось, что преобразование энергии в природе имеет конкретную направленность и обратных процессов не существует. Следовательно, рано или поздно Вселенная остынет до равновесного теплового состояния, и всякое движение в ней прекратится. Первым этот неутешительный прогноз высказал британский математик Уильям Томсон (барон Кельвин): в 1852 году он опубликовал статью, в которой на основе открытия Клаузиуса предсказал, что Солнце неизбежно погаснет, а Земля замёрзнет. В дальнейшем физики развили его соображения в гипотезу, получившую название «тепловая смерть Вселенной». Но это далеко не единственный сценарий далёкого будущего.

Когда Альберт Эйнштейн сформулировал положения общей теории относительности, в которой гравитация была определена как свойство пространственно-временного континуума, он задался серьёзным вопросом: если притяжение между телами действует всегда и везде, то почему они до сих пор не слиплись в единый ком? Может быть, помимо гравитации, в мире существует и антигравитация? Тогда физик ввёл в свои уравнения лямбда-член (космологическую постоянную), учитывающий «расталкивание», которое не даёт Вселенной схлопнуться.

В 1922 году советский физик Александр Фридман опубликовал уравнение, описывающее модель нестационарной расширяющейся Вселенной, в котором лямбда-член оказывался лишним. Сначала Эйнштейн не принял вариант Фридмана, поскольку физики первой четверти ХХ века разделяли идею вечной и бесконечной Вселенной. Однако вскоре астрономические наблюдения подтвердили теоретические выкладки: Эдвин Хаббл открыл разбегание галактик. Из этого родилась концепция Большого взрыва, которая и поныне главенствует в космологии.

С тех пор физики приблизительно представляют, что случилось в далёком прошлом, и даже сумели вычислить возраст Вселенной. Но что произойдёт в будущем? Сравнительно недавно была обнаружена статья Эйнштейна «К космологической проблеме общей теории относительности» (1932), которая никогда не переводилась на английский язык, поэтому осталась без внимания мирового научного сообщества. Великий физик написал её на пару с нидерландским астрономом Виллемом де Ситтером; соавторы обосновывали циклическую модель Вселенной, согласно которой она не будет расширяться вечно. Гравитационная сила остановит разбегание, и начнётся Большое сжатие, которое приведёт Вселенную к исходному суперплотному состоянию, после чего снова произойдёт взрыв. К этой же мысли пришли и другие учёные, но в 1934 году американец Ричард Толман показал, что циклическая модель нарушает второе начало термодинамики. Чтобы действие второго начала сохранялось, в каждом последующем цикле должно быть меньше свободной энергии. Если экстраполировать ситуацию в вечное прошлое, то получится, что вся энергия давным-давно должна была рассеяться, а Вселенная — прийти к «тепловой смерти». Но этого не произошло. Получается, что где-то во Вселенной есть источник возобновления энергии? Почему же мы его не наблюдаем?

Космологи неоднократно пытались примирить циклическую модель и второе начало термодинамики. В конце концов они пришли к теории Большого отскока, которую, в частности, разрабатывал физик Георгий Гамов, эмигрант из СССР. В её рамках утверждалось, что в сверхплотном состоянии действие фундаментальных законов природы кардинально меняется, поэтому мы ничего не можем сказать о предыдущей Вселенной, но, скорее всего, она была совершенно иной.

В конце ХХ века пришлось пересмотреть и эту теорию. Американский астрофизик Сол Перлмуттер с середины 1980-х годов наблюдал за вспышками далёких сверхновых и получил странный результат: они оказались менее яркими, чем предсказывали существующие физико-математические модели. Собрав и тщательно проанализировав данные с телескопов по всему миру, группа Перлмуттера пришла к ошеломляющему выводу: Вселенная расширяется с ускорением! По-видимому, в нашем мире всё же действует некая антигравитационная сила.

Чтобы объяснить этот феномен, астрономы ввели понятие тёмной энергии, пронизывающей весь космос, но не взаимодействующей с обычной материей. Если тёмная энергия действительно существует, то Вселенная состоит из неё на 72%! Вот только физики не могут понять, что это такое. Кто-то уверен, что в «расталкивающем» действии тёмной энергии проявляется одно из фундаментальных свойств вакуума; кто-то пытается модифицировать под её существование общую теорию относительности; кто-то привлекает к объяснению бесспиновые энергетические поля и иные измерения. Обескураживающим стало и сравнение космологической постоянной, вычисленной теоретически, с полученной экспериментально: последняя оказалась меньше на 120 порядков! Может быть, куда-то вкралась ошибка?..

Тем не менее наличие тёмной энергии сегодня мало кто отрицает. На основе ускоряющегося расширения американец Роберт Колдуэлл вывел теорию Большого разрыва. Согласно ей, если темпы расширения Вселенной сохранятся, то через 22 миллиарда лет наступит такое состояние, при котором прекратятся всякие взаимодействия между объектами. Сначала распадутся скопления галактик, потом сами галактики, затем — звёздные и планетные системы, затем — планеты, обломки планет, молекулы и даже атомы. Известные законы физики перестанут работать, поэтому предсказать дальнейшую судьбу Вселенной невозможно.

Впрочем, пока не появилось хоть каких-то достоверных данных о природе тёмной энергии, говорить о Большом разрыве преждевременно. Вполне возможно, что ускорение расширения со временем снизится или вообще прекратится.

Периодически при попытках описать происходящее появляются альтернативные космологические модели. Например, вызов общему мнению бросили физик Александр Васильков и астрофизик Николай (Ник) Горькавый, хорошо известный отечественному читателю как автор серии фантастических романов «Астровитянка» и цикла «Научные сказки». В 2016 году, когда были впервые зафиксированы гравитационные волны, учёные предположили, что наблюдаемая природная антигравитация вызвана не давлением тёмной энергии, а стремительным уменьшением массы Большой Чёрной Дыры (БЧД), из которой образовалась Вселенная. Горькавый пишет в своём блоге: «Если рассмотреть стадию сжатия Вселенной, на которой слияния чёрных дыр должны быть частым явлением, то можно показать, что большая часть Вселенной во время коллапса может превратиться в гравитационное излучение. Что произойдёт с гравитационным полем системы, которая быстро теряет гравитационную массу? Мы рассмотрели решение уравнений Эйнштейна для системы, состоящей из сливающихся чёрных дыр, и показали, что в такой системе возникает сильная отталкивающая гравитационная сила, которая может превратить сжатие Вселенной в Большой взрыв… Поэтому, если при предыдущем коллапсе Вселенной её масса быстро превращалась в гравитационное излучение, то неизбежно возникла сначала очень сильная отталкивающая сила, а потом — слабая долгоживущая антигравитация».

В марте 2018 года Васильков и Горькавый опубликовали новую статью, представив публике модель эволюции Вселенной на основе уравнений Фридмана и сделанного ранее предположения о связи отталкивающей силы с изменением массы объектов. Кропотливые расчёты дали парадоксальный результат. Если рассуждать логически, то масса БЧД, из которой образовалась наша Вселенная, должна уменьшаться по мере расширения последней, но оказалось, что она увеличивается! «Мы пришли к удивительной интерпретации наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной как результата роста центральной массы и торможения разлёта Вселенной, — пишет Горькавый. — Действительно, если по ночной дороге движется колонна автомобилей с включёнными фарами, то факт, что задний автомобиль ускоренно отдаляется от переднего, можно с одинаковой вероятностью интерпретировать как ускорение первого автомобиля или как торможение последнего».

Дальнейшие рассуждения привели авторов к сенсационному выводу: у Вселенной есть центр! БЧД существует и сегодня, втягивая в себя материю, что вызывает «растяжение» наблюдаемой вокруг нас части космоса и приводит к ошибке наблюдателей, которые видят ускорение там, где на самом деле происходит торможение. Можно даже примерно указать месторасположение БЧД — анизотропия некоторых космологических явлений, получившая название «Ось зла», указывает на область неба возле тусклого созвездия Секстант. Размер БЧД можно оценить в миллиард световых лет.

Конечно, теория Горькавого-Василькова ещё далека от совершенства и вызывает резкое неприятие со стороны научного сообщества. Какая модель ближе к реальности, покажут дальнейшие исследования. Ну а через несколько миллиардов лет мы и так узнаем, чем всё кончится.