Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

60000 лет, 1 кэВ. Господство материи. Плотность ядер превысила плотность фотонов, и преобладание перешло от излучений к материи. Вселенная остается непрозрачной.

380 000 лет, 700 эВ. Рассеяние фотонов. Формируются атомы (рекомбинация), фотоны рассеиваются, и Вселенная становится прозрачной. Небо ярко-оранжевое и становится краснее по мере того, как Вселенная охлаждается. Начинает накапливаться атомное вещество, а также темная материя.

5 млн. лет, 0,01 эВ. Начинаются Темные века. Вселенная охладилась настолько, что фоновое излучение находится далеко за границами видимого спектра, и небо становится темным.

200 млн. лет, 0,002 эВ. Начинается образование звезд. Формируются первые звезды, и Темные века заканчиваются. Звезды намного больше Солнца и не содержат тяжелых элементов, поэтому они быстро сгорают и получается много сверхновых, которые синтезируют более тяжелые элементы. Излучение сверхновых заново ионизирует пространство и делает его слегка туманным, но даже и близко не настолько, как в Темные века. Свет все еще может проходить насквозь, хотя и несколько приглушается. Активные галактики, например квазары, тоже могли начать формироваться, усиливая ионизирующее излучение.

~1 млрд. лет, 0,001 эВ. Образование галактик. Формируются галактики. В них часто происходят столкновения и есть сверхновые, которые продолжают распространять в космосе тяжелые элементы, которые, в свою очередь, становятся ингредиентами для следующего поколения звезд. Эти звезды менее массивны и горят медленнее, подобно современным звездам. Образование активных галактик замедляется.

~6 млрд. лет, 4∙10-4 эВ. Образование кластеров. Более плотные области начинают сжиматься и образуют всевозможные структуры галактических скоплений и сверхскоплений.

~7 млрд. лет, 4∙10-4 эВ. Начинается ускорение. До этого времени расширение Вселенной замедлялось из-за преобладания материи и излучения, подверженных гравитационному притяжению. Однако их плотность падала, в то время как плотность темной энергии оставалась постоянной. Теперь ее плотность больше остальных, и поскольку ей свойственно отрицательное давление, то расширение Вселенной понемногу начинает ускоряться.

~8 млрд. лет, 3∙10-4 эВ. Появляется привычная Вселенная. Формируются первые спиральные галактики.

9,1 млрд. лет, 3,2∙10-4 эВ. Образуется Солнечная система. Формируются наше Солнце и планеты.

13,8 млрд. лет, 2,6∙10-4 эВ. Настоящее время.

Будущее

Пусть предсказание будущего всегда рискованная задача, мы все же можем задаться вопросом, каким окажется наше будущее, если исходить из имеющихся знаний.

5 млрд. лет спустя. Прощай, Земля. Наше Солнце расходует последнее водородное топливо и становится красным гигантом, испепеляя Землю. В течение следующего миллиарда лет Солнце сжимается до белого карлика.

17 млрд. лет. Слияние. Млечный Путь и туманность Андромеды сливаются.

~40 млрд. лет. Заканчивается формирование структур. Экспоненциальное расширение, вызываемое темной энергией, перекрывает все оставшиеся гравитационные группирующие силы, и формирование структур прекращается.

~100 млрд. лет. Прощайте, другие галактики. Все остальные галактики вышли из зоны видимости Млечного Пути/туманности Андромеды, оставив эту галактику одинокой во Вселенной. В конце концов все оказывается вне зоны видимости всего остального.

~1 трлн. лет. Прощайте, звезды. Оставшиеся звезды начинают вымирать, оставляя после себя черные дыры, нейтронные звезды, бурые карлики и планеты.

1033–1037 лет. Прощай, материя. Протоны и другие тяжелые частицы распадаются, оставляя после себя газ из фотонов, электронов и нейтрино, который продолжает разжижаться вечно.

Никакой тепловой смерти. В главе 5 мы выяснили, что физики XIX века разработали концепцию тепловой смерти, при которой Вселенная должна непременно достичь равновесного состояния максимальной энтропии. Однако они все еще исходили из предположения, что Вселенная представляет собой небесную твердь, тела на которой сохраняют постоянную среднюю удаленность друг от друга. В этом случае энтропия Вселенной имеет свой максимум, который, как нам известно (а им известно не было), равен энтропии черной дыры того же размера.

Но тепловая смерть никогда не наступит. Вместо этого Вселенная продолжит неограниченно расширяться и разовьется до пространства де Ситтера в чистом виде, где любой произвольно взятый участок никогда не достигнет максимальной энтропии. Далее остается возможность, что Вселенная абсолютно замкнута, то есть параметр кривизны k = 1. Разумеется, инфляция предполагает, что Вселенная все еще очень плоская, более чем одна часть 1060, но это возможно и при k = 1, когда Вселенная имеет небольшую положительную кривизну.

В любом случае, мы не можем надеяться на большое сжатие, при котором расширение останавливается, Вселенная сжимается обратно до планковской сферы и все начинается сначала. Это осциллирующая Вселенная, теория о которой в свое время была очень популярна, но это было до открытия темной энергии. Как было отмечено ранее, около 7 млрд. лет назад (на полпути до Большого взрыва) энергетическая плотность вещества и излучения упала ниже плотности темной энергии и расширение Вселенной начало ускоряться. Если источник темной энергии представляет собой космологическую постоянную или что-то очень похожее, то энергетическая плотность останется постоянной, тогда как излучение и материя исчезнут и Вселенная продолжит расширяться вечно.

Было ли у Вселенной начало

В 1970-е Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что в рамках общей теории относительности наша Вселенная начала свое существование как бесконечно малая точка бесконечной энергетической плотности в месте, называемом сингулярностью{315}. Теологи, в частности Уильям Лейн Крейг, вырвали это из контекста и использовали, чтобы заявить, что пространство и время должны были быть созданы в этот момент, из чего следует, что у Вселенной было начало. Вслед за этим они развивают свою аргументацию — без всякого теоретического обоснования или эмпирического подтверждения — до того, что все, что начинается, имеет свою причину. В случае же Вселенной, при всей огромной куче несоответствий, этой причиной должен быть персонифицированный христианский Бог{316}. Однако, как отметил Хокинг в своем бестселлере 1988 года «Краткая история времени», «на самом деле при зарождении Вселенной никакой особой точки не было… при учете квантовых эффектов сингулярность может исчезнуть [из теории]»{317}. Пенроуз с этим согласился. Общая теория относительности — это не квантовая теория, и она неприменима там, где важны квантовые эффекты. Это относится, в частности, и к зарождению Вселенной.

Но Крейг и его правоверные коллеги никогда не сдаются. В споре с философом Алексом Розенбергом, который состоялся в университете Пердью 1 февраля 2013 года, и в других дискуссиях и публикациях Крейг ссылается на работу 2003 года Арвинда Борде, Алана Гута и Александра Виленкина (далее — БГВ), которая, по мнению Крейга, доказывает, что у Вселенной должно было быть начало{318}. Следует отметить, что эта работа также основывается исключительно на общей теории относительности и не принимает во внимание квантовую механику.

Я спросил Виленкина, с которым много лет был знаком по работе: «Доказывает ли ваша теорема, что у Вселенной должно было быть начало?» Он ответил: «Нет. Но она доказывает, что у расширения Вселенной должно было быть начало. Теорему можно обойти, если принять, что до какого-то момента Вселенная сжималась»{319}. То же отмечали Энтони Агирре и Стивен Граттон{320}, а также Шон Кэрролл и Дженнифер Чен{321}. Кэрролл мастерски вовлек Крейга в спор о космологии в Нью-Орлеане 21 февраля 2014 года{322}.

На рис. 15.1 мы видим схему пространства-времени, изображающую мировые линии, которые представляют собой пути в пространстве-времени частиц, вылетающих из первоисточника расширяющейся Вселенной.

Рис. 15.1. Диаграмма пространства-времени, показывающая мировые линии частиц, которые исходят из первоисточника нашей Вселенной. Они могут быть продолжены в отрицательном направлении временной оси. Авторская иллюстрация

Теорема БГВ доказала, что все мировые линии должны были исходить из точки, которую мы можем интерпретировать как начало нашей Вселенной, то есть той, в которой мы живем. Другие авторы показали, что мировые линии можно продолжить через первоисточник по отрицательную сторону временной оси.