Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Куда нас приведёт «теория всего»?

Уже около столетия величайшим умам человечества не удаётся построить убедительной «теории всего». Но мы продолжаем мечтать о ней! А вдруг завтра мы проснёмся и узнаем, что кто-то расколол этот орешек, и у нас теперь есть единая теория, охватывающая как гравитацию, так и остальные силы? Невозможно угадать, когда и откуда придёт это решение, кто из молодых университетских исследователей на физическом или математическом факультете в каком-то уголке мира испытает озарение – и всё станет ослепительно ясно. Его, конечно, будет ждать Нобелевка. Но что же именно мы узнаем? Что рассчитываем открыть во Вселенной?

Мы уже назвали два наиболее загадочных места: центральные области чёрных дыр и точка рождения Вселенной. Что же там можно найти?

Согласно эйнштейновской общей теории относительности, как только масса коллапсирует ниже критической точки так, что окажется целиком под горизонтом событий, ничто не может остановить её продолжающегося коллапса вплоть до обращения в ничто, до образования сингулярности. И, если мы остаемся в рамках лишь одной теории относительности, получается, что гравитация всегда преодолевает действие остальных сил, сжимая массу всё сильнее и сильнее до нулевого объёма. Но в рамках нашей «теории всего» мы сможем понять истинную взаимосвязь сил. Многие физики считают, что, когда плотность вещества становится исключительно высокой, что мы и наблюдали бы при образовании чёрной дыры, дело вовсе не сводилось бы к доминированию гравитации и фактическому исчезновению всех остальных сил. Напротив, когда гравитация растёт, растут и другие силы, сопротивляясь полному коллапсу в ничто. Действие квантовых сил приведёт к тому, что вместо образования в сердце чёрной дыры бесконечно плотной сингулярности там может сформироваться сверхмалое, сверхплотное ядро, в котором не будет бесконечностей, требуемых эйнштейновской теорией гравитации. Да, чёрные дыры причудливы, невероятно эксцентричны и полны крайностей, но бесконечностей в них нет! И физики, которым больше не надо беспокоиться о существовании во Вселенной реальных, физических бесконечностей, могут теперь спать спокойно.

Поможет ли нам потенциальная «теория всего» лучше разбираться в том, что происходит в чёрных дырах? Здесь мы определённо переходим в область домыслов. Возможно, всё, на что мы можем рассчитывать, это понимание, что у чёрной дыры очень – но не бесконечно – плотное ядро. Некоторые, правда, считают, что там могут происходить другие, более странные вещи. Огромные силы тяготения в центре чёрной дыры могут пробить дыру в ткани Вселенной, создав так называемую кротовую нору – туннель в другую точку пространства, в другое время или даже в другую Вселенную. Это похоже скорее на научную фантастику, но эйнштейновская математика намекает на возможность существования таких удивительных образований. Фантастика может вдруг оказаться реальностью.

А что можно сказать о рождении Вселенной? Согласно Эйнштейну, всё пространство, всё время и вся материя обрели существование в момент Большого Взрыва. Но, как и в случае центров чёрных дыр, наша математика даёт здесь эффект бесконечности: гравитация доминирует, а остальные силы уходят на второй план. И, как было и с чёрными дырами, мы рассчитываем, что от этих бесконечностей можно будет отказаться, как только мы поймём истинную взаимосвязь между гравитацией и остальными силами. Каких же открытий мы ждём в этом случае?

Возможно, в общих чертах эйнштейновская картина верна. Возможно, пространство и время действительно начали существовать в исходный момент образования Вселенной. Возможно, наш математический аппарат неспособен увести нас дальше, и на вопрос «откуда взялась Вселенная?» ответа нет. Но большинство физиков с этой идеей смириться не могут и не считают, что она верна.

Основываясь на некоторых деталях уравнений Эйнштейна, многие полагают, что наша Вселенная – не начало всего, что она происходит из некоей предшествовавшей ей структуры. Как мы уже замечали в предыдущей главе, конец нашей Вселенной может вести к рождению новой, и этот процесс может указать на происхождение нашего собственного мира. Может быть, он был порождён гибелью массивной звезды в предыдущей Вселенной – звезды, коллапс которой привёл к образованию новой чёрной дыры, и от той, в свою очередь, отпочковалась новая Вселенная.

Или, может быть, наша Вселенная родилась в результате процесса, который для нас сейчас почти непредставим? Без математического языка, описывающего совместное действие гравитации и остальных сил, мы о нём можем только догадываться.

Чего ещё мы можем ждать от «теории всего»? Вспомним, что в нашем понимании Вселенной ещё зияет несколько лакун – и вот их-то новая теория может заполнить. В частности, в рамках стандартной модели физики частиц, которая очень хорошо объясняет все результаты экспериментов на Большом Адронном Коллайдере, мы сейчас не можем ничего сказать о «тёмной стороне» Вселенной – тёмной энергии и тёмной материи, которые в целом доминируют в космосе.

Как мы уже видели, многие физики предложили свои расширения стандартной модели, но сегодня ни одно из них не предсказывает, какими могут быть частицы тёмной материи. Они не наблюдаются ни в одном эксперименте на ускорителях и никак не проявляются в астрономических наблюдениях.

Ещё большую загадку представляет собой тёмная энергия: казалось бы, Вселенная прекрасно могла бы обойтись без неё. Почему она вообще существует? Сейчас многие полагают, что она имеет какое-то отношение к квантовой природе вакуума, но все теоретические вычисления демонстрируют прискорбную беспомощность попыток как-либо объяснить её природу.

Возможно, выработай мы «теорию всего», все кусочки пазла встали бы на свои места, и мы увидели бы, что тёмная энергия – естественная характеристика нашей Вселенной, играющая свою уникальную роль.