[Перевод] Кэти Мак о том, какой конец ждет Вселенную (интервью)

Космологи всегда с увлечением рассказывают о Большом взрыве и обо всём удивительном, что произошло за 14 миллиардов лет с тех пор. Но что насчёт будущего? Точного ответа мы не знаем, однако наших знаний о законах физики достаточно, чтобы наметить несколько правдоподобных сценариев будущего Вселенной. Кэти Мак - космолог, которая пишет книгу о конце Вселенной. Мы обсуждаем Большое сжатие и возможный Большой отскок, плавное остывание, при котором Вселенная постепенно затихает, и, конечно, возможность резкого фазового перехода, известного также как «пузырь квантовой смерти». Согласитесь, отличное название для музыкальной группы.

Кэтрин (Кэти) Мак получила степень PhD по физике в Принстонском университете. На момент записи она занимает должность ассистент-профессора в Университете штата Северная Каролина и занимается теоретической космологией, в том числе тёмной материей и чёрными дырами. Она также участвует в университетской программе Leadership in Public Science, посвящённой взаимодействию науки и общества. Её книга «Конец всего» (The End of Everything) должна выйти в 2020 году (прим. переводчика: интервью записано в 2019 году).

Вступление: Вселенная тоже не вечна

ведущий: Всем привет! Добро пожаловать в подкаст Mindscape. С вами ведущий Шон Кэрролл, и у меня плохая новость: миру придёт конец. Я имею в виду не Землю, на которой мы живём, а Вселенную в целом. Когда-нибудь она закончится. Когда именно, мы не знаем. Причём под концом я не обязательно подразумеваю нечто столь драматичное, как буквальное прекращение существования Вселенной. Возможно, она изменится настолько, что жизнь станет невозможной, а возможно, просто постепенно угаснет. Вселенная может закончиться взрывом или всхлипом. Сегодня я беседую с одной из специалисток в этой слегка удручающей области. Кэти Мак - космолог-теоретик из Университета штата Северная Каролина и очень известная популяризаторка науки. Её аккаунт в Twitter - один из самых популярных среди коллег-физиков. Мы поговорим о разных сценариях, описывающих возможное будущее Вселенной.

Наверняка мы ничего не знаем. Предсказывать трудно, особенно будущее. Но мы достаточно хорошо понимаем законы физики, чтобы очертить круг возможностей. Это может быть постепенное угасание: всё удаляется друг от друга, всё становится холоднее, процессы замедляются, пока интересные, деятельные стороны Вселенной не сойдут на нет. А может произойти нечто весьма драматичное. Мой любимый сценарий из тех, что мы обсуждаем в этом выпуске, - пузырь квантовой смерти. Если вы ещё не знаете, что это такое, вам объяснят во всех жутких подробностях. Так что выпуск будет и познавательным - мы действительно поговорим о физике и космологии, - и дающим пищу для размышлений. Наука дошла до того, что мы можем сказать нечто содержательное даже о возможном конце Вселенной. Итак, начнём. Кэти Мак, добро пожаловать в Mindscape.

Кэти Мак: Спасибо, рада быть здесь.

ведущий: Мы поговорим о Вселенной. А она у нас большая.

Кэти Мак: Да.

ведущий: И мне очень нравится, что ты пишешь книгу о будущем Вселенной.

Кэти Мак: Да, именно о её конце. О начале написано столько книг, что я подумала: пора осветить и другой конец истории.

ведущий: Это правда. Вот смотришь «Космос», а там показывают календарь. Космический календарь, да?

Кэти Мак: Да.

ведущий: Начало Вселенной приходится на 1 января, конец календаря - на 31 декабря, а нам достаётся крохотный отрезок в самом конце. И я думаю: «Почему календарь здесь обрывается?»

Кэти Мак: Да-да.

ведущий: «Он ведь должен продолжаться ещё очень долго».

Кэти Мак: Конечно. Это любопытно: все доводят рассказ только до сегодняшнего дня. Но, по-моему, людям очень хочется знать, что будет дальше, куда всё движется. А мы, физики, слишком мало об этом говорим.

Масштабы Вселенной и что означает Большой взрыв

ведущий: Думаю, для начала важно разобраться с масштабами времени. Давай поговорим о той части истории Вселенной, которую мы знаем, - о прошлом. Потому что, когда речь заходит о будущем, даже о далёком будущем, многие представляют себе лет десять.

Кэти Мак: Верно.

ведущий: Расскажи немного о размерах и масштабах Вселенной, какой мы знаем её сегодня.

Кэти Мак: Сейчас возраст нашей Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет. Мы многое знаем о её начале, по сути начиная с миллиардной доли секунды. Что происходило раньше, уже не так ясно. Но у нас есть очень хорошее представление о том, как она развивалась до настоящего времени, и мы начинаем понимать, куда всё идёт. Мы можем восстановить историю расширения и оценить размер наблюдаемой Вселенной, которую часто просто называют Вселенной. Однако наблюдаемая Вселенная - это область, которую мы можем видеть, откуда можем получать информацию. И она довольно велика: её радиус составляет примерно 46 миллиардов световых лет. Такая граница связана с тем, что Вселенная всё это время расширялась. Есть расстояние, за которое мы заглянуть не можем: свет из более далёких областей просто не успел бы дойти до нас за время существования Вселенной.

ведущий: И даже когда мы называем её возраст, нужно быть осторожными, верно? Ведь мы имеем в виду время, прошедшее с Большого взрыва.

Кэти Мак: Да.

ведущий: До Большого взрыва тоже могло что-то быть.

Кэти Мак: Конечно. И ещё нужно уточнить: есть обыденное представление о Большом взрыве и есть то, что обычно имеют в виду физики. Это не всегда одно и то же. Если спросить прохожего: «Что такое Большой взрыв?», он ответит: «Вселенная возникла в одной точке, а потом взорвалась и разлетелась во все стороны». Но физик обычно говорит о совершенно другом - о горячем Большом взрыве. Это просто утверждение, что в прошлом Вселенная была горячее, плотнее и меньше. Оно следует из того, что сейчас Вселенная расширяется и остывает. Если мысленно прокрутить этот процесс назад, мы увидим более горячую, плотную и, в некотором смысле, более сжатую Вселенную. И это совершенно бесспорно…

ведущий: Большой взрыв действительно был.

Кэти Мак: В этом смысле - безусловно. И мы это знаем, потому что можем его видеть.

ведущий: Да.

Кэти Мак: Буквально можем увидеть его в любом направлении. Если заглянуть достаточно далеко, свет идёт до нас так долго, что мы видим время, когда вся Вселенная ещё была раскалена.

ведущий: Тебе знакомо имя Эрик Лернер?

Кэти Мак: Вроде бы.

ведущий: Автор книги «Большого взрыва никогда не было».

Кэти Мак: Правда?

ведущий: Да.

Кэти Мак: Понятно.

ведущий: В своё время, даже когда я учился в аспирантуре, в восьмидесятые и девяностые, ещё были люди, отрицавшие даже модель горячего Большого взрыва.

Кэти Мак: Правда? Надо же.

ведущий: Да, плазменная космология. Слышала о таком? Мол, главное взаимодействие во Вселенной - электромагнетизм, а не гравитация, и так далее.

Кэти Мак: О нет, только не это.

ведущий: Именно.

Кэти Мак: Мне постоянно пишут об этом в Twitter.

ведущий: Поэтому с мифами всё-таки приходится бороться. Но ладно. Официальная позиция Mindscape: Большой взрыв был.

Кэти Мак: Да. Горячий Большой взрыв: в прошлом Вселенная была горячее, плотнее и в некотором смысле меньше. И мы действительно можем это видеть. Кстати, мне нравится, что начало заставки сериала «Теория Большого взрыва» очень удачно передаёт суть этой теории. Вся Вселенная находилась в горячем плотном состоянии, почти 14 миллиардов лет назад началось расширение. Вот здесь можно остановиться. Это и есть теория Большого взрыва, больше ничего.

ведущий: Совершенно верно. Там нет слова «взорвалась»…

Кэти Мак: Нет.

ведущий: И не говорится, что была одна точка.

Кэти Мак: Ни точки, ни сингулярности. Сингулярность могла быть: возможно, до этого раскалённого состояния плотность Вселенной была бесконечной. Возможно, прослеживая историю назад, мы дойдём до такого состояния. Но ту раскалённую Вселенную, которую мы наблюдаем, мы видим примерно через 380 тысяч лет после начала. За эти 380 тысяч лет произошло очень многое. И мы не знаем, была ли в самом начале сингулярность. Мы предполагаем, что, вероятно, был этап стремительного расширения - инфляция. А что происходило до этого сверхбыстрого расширения, в первые миллиардную от миллиардной от миллиардной доли секунды, толком не знаем.

ведущий: Лично я оцениваю шансы инфляции как пятьдесят на пятьдесят.

Кэти Мак: Да, она входит в стандартную космологическую картину, но её модели бывают разными. Уточню: если инфляция была, речь идёт примерно о секунды. Так что начиная с секунды мы уже довольно хорошо ориентируемся. По-моему, это потрясающее достижение.

ведущий: Безусловно. Но давай приведём скептикам кое-какие доказательства. Ты сказала, что непосредственно мы видим только то, что происходило спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Но при этом утверждаешь, что мы хорошо понимаем события первой секунды и даже более ранних моментов. Как перейти от одного к другому?

Как мы изучаем раннюю Вселенную

Кэти Мак: Здесь есть несколько способов. Во-первых, можно изучать структуру этого фонового излучения, дошедшего до нас из эпохи спустя 380 тысяч лет после начала. Тщательно анализируя его рисунок, мы узнаём о составе материи и энергии во Вселенной и об истории её расширения. Во-вторых, можно экстраполировать в прошлое тот факт, что Вселенная была горячее и плотнее, а затем проводить эксперименты: создавать небольшие горячие и плотные сгустки материи и энергии и выяснять, какая физика работает в таких условиях. То есть ставить опыты на коллайдерах.

ведущий: Настоящие эксперименты здесь, на Земле.

Кэти Мак: Да. На Большом адронном коллайдере можно сталкивать частицы и достигать огромных энергий, создавая условия, очень похожие на некоторые этапы ранней Вселенной. Есть коллайдеры, на которых получают кварк-глюонную плазму - своего рода предшественницу тех частиц, которые мы наблюдаем сегодня. Как мы полагаем, именно ею была заполнена Вселенная в очень ранние времена. И возможность сделать маленький образец Вселенной эпохи Большого взрыва - это здорово.

Есть и несколько более косвенных свидетельств, связанных с распространённостью химических элементов. Речь о первичном нуклеосинтезе. На ранней горячей стадии был период, когда вся Вселенная была такой же горячей, как центр звезды. В ней шли реакции ядерного синтеза: из водорода образовывались гелий, литий и небольшие количества других элементов. Мы можем рассчитать, какой должна быть распространённость этих элементов, если всё происходило именно так. И расчёты очень хорошо совпадают с наблюдениями. Благодаря таким данным мы довольно уверенно восстанавливаем все этапы от кварк-глюонной плазмы до эпохи спустя несколько сотен тысяч лет, когда возникло реликтовое излучение - тот самый световой фон, который мы наблюдаем. А для более поздних эпох есть другие виды наблюдений.

ведущий: Как ты и сказала, поразительно, что человечеству удалось всё это выяснить. Только что я подшучивал над отрицателями Большого взрыва, но в пятидесятые годы сомневаться в нём было совершенно разумно. А сто лет назад сторонников Большого взрыва вообще не было: ещё не знали, что Вселенная расширяется. Всё это - достижения последнего столетия.

Кэти Мак: Да. Удивительно, что переход от статической Вселенной к расширяющейся произошёл за время научной карьеры Эйнштейна. Это изменило уравнения, с помощью которых он описывал эволюцию Вселенной, и полностью перевернуло наши представления о космической истории и будущем.

ведущий: И это прекрасный пример взаимодействия наблюдений и экспериментов с теорией. Ты упомянула Эйнштейна. Он сам не работал на телескопах и не собирал эти данные, но именно он создал теоретическую основу, на которой мы описываем расширение Вселенной.

Кэти Мак: Да. Хотя, конечно, не он первым заговорил обо всех этих идеях. Леметр и ещё несколько исследователей разрабатывали представления о Большом взрыве, расширении Вселенной и так далее. Но здесь есть любопытная история. Эйнштейн записал уравнения, которыми мы до сих пор пользуемся для описания материи и энергии во Вселенной, и добавил в них дополнительный член, чтобы учесть её кажущуюся статичность. Когда выяснилось, что Вселенная расширяется, он его убрал. А теперь мы вернули этот член, потому что он понадобился для другой цели. Если хочешь, я могу об этом рассказать…

ведущий: Обязательно. Только сначала хочу, чтобы слушатели поняли: расширение Вселенной мы описываем с помощью общей теории относительности, эйнштейновской теории гравитации. Мы не просто смотрим и видим, что Вселенная расширяется. Мы используем уравнения Эйнштейна, чтобы проследить её эволюцию и вперёд, и назад во времени.

Кэти Мак: Именно. И это ещё одно поразительное достижение, ведь общая теория относительности - едва ли не самая стойкая к проверкам теория. Мы испытываем её всеми мыслимыми способами и пока не нашли ни единой…

ведущий: Знаю, я пытался.

Кэти Мак: …аномалии. Всё выглядит именно так, как должно, если общая теория относительности действует всегда и нигде не нарушается. Это даже немного странно, потому что мы знаем: где-то такое описание должно перестать работать. Квантовая механика и общая теория относительности плохо согласуются друг с другом. Где-то что-то придётся пересмотреть. Возможно, их взаимодействие устроено тоньше, чем нам кажется, и каждая окажется права по-своему. Но наблюдать за всеми этими проверками действительно удивительно. Всё, что только можно придумать, даёт полное согласие с теорией. Даже гравитационные волны от столкновений чёрных дыр, которые регистрирует LIGO: сначала с помощью общей теории относительности на компьютере моделируют сигнал от такого столкновения, а затем приходит настоящий сигнал и в точности совпадает с расчётом. Никаких отклонений.

ведущий: Да. Точное совпадение с предсказанием уравнений, которые Эйнштейн записал в 1915 году.

Кэти Мак: Невероятно.

ведущий: Без каких-либо изменений и усовершенствований, верно?

Кэти Мак: Да. И нам остаётся говорить: «Ну что ж, всё ещё работает».

ведущий: Похоже, природа именно так и устроена. Вероятно, теория перестаёт работать у Большого взрыва или внутри чёрных дыр, но для наблюдаемой Вселенной - вот она, общая теория относительности. Ладно, ты уже сделала несколько намёков, так что дам тебе самой раскрыть интригу. Вселенная расширяется, и мы можем восстановить скорость её расширения. Ты дважды намекнула на то, о чём мы сейчас поговорим: упомянула дополнительный член в уравнениях Эйнштейна, а ещё сказала, что Вселенной 13,8 миллиарда лет, но её размер - больше 42 миллиардов световых лет. Как такое возможно?

Ускоренное расширение и загадка тёмной энергии

Кэти Мак: Я сказала, что размер наблюдаемой Вселенной определяется тем, сколько времени свету требуется, чтобы добраться до нас с самого начала, и какое расстояние он может за это время пройти. Казалось бы, получается 13,8 миллиарда световых лет: свет проходит один световой год за год, а прошло 13,8 миллиарда лет. Всё логично. Но Вселенная всё это время расширялась. Поэтому область, свет из которой шёл к нам 13,8 миллиарда лет, сейчас находится гораздо дальше. Чтобы определить расстояние до неё, нужно учесть всю историю расширения. И одна из важных особенностей этой истории в том, что сегодня расширение идёт быстрее, чем, казалось бы, должно. С конца девяностых это стало настоящей революцией в физике.

Один из главных вопросов как раз связан с тем, чем я сейчас занимаюсь, - с концом Вселенной. Как она будет развиваться дальше? Мы знаем, что сейчас она расширяется. Будет ли расширение продолжаться вечно? Или сменится сжатием и всё закончится Большим сжатием? Что вообще произойдёт? В конце девяностых пытались это выяснить. Для ответа нужно было определить соотношение между количеством материи и энергии во Вселенной, действием гравитации и скоростью расширения.

Физика здесь примерно та же, что у мяча, подброшенного вверх. Чем быстрее его бросить, тем выше он поднимется. Всё это время он будет замедляться, а затем упадёт. Если придать ему скорость 11,2 километра в секунду, он достигнет второй космической скорости и улетит в космос, уже не вернувшись. Но по мере удаления он всё равно будет понемногу замедляться: гравитационное притяжение между ним и Землёй постоянно противодействует начальному толчку. Итак, мяч должен замедляться, но при этом либо удаляться бесконечно, либо развернуться и упасть. Для Вселенной мы пытались разобраться в том же самом, потому что физика, по существу, аналогичная. Был начальный толчок - Большой взрыв, затем всё расширяется, а гравитация стремится стянуть всё обратно. Хватит ли её для этого? Мы хотели измерить, насколько быстро замедляется расширение, чтобы понять, достаточно ли замедления для будущего разворота. И вот начали измерять…

ведущий: Кстати, когда я был аспирантом, это была одна из самых горячих тем: насколько быстро замедляется Вселенная.

Кэти Мак: Да, параметр замедления, .

ведущий: Развернётся ли она когда-нибудь или будет расширяться вечно, только всё медленнее?

Кэти Мак: Именно. Стали измерять параметр замедления и обнаружили, что он отрицательный. [Усмехается.] Вселенная вовсе не замедляется, а ускоряется. Расширение идёт всё быстрее. Раньше оно замедлялось: в самом начале было очень быстрым, затем долго замедлялось, а примерно пять миллиардов лет назад снова начало ускоряться. Это столь же странно, как если бы вы подбросили мяч, он поднялся на несколько метров, постепенно замедляясь, а затем вдруг умчался в космос. [Усмехается.] С точки зрения привычной физики странность точно такая же: так быть не должно. Поэтому открытие стало большой загадкой. Многие поначалу сомневались: действительно ли всё так? Что происходит? Ты тогда уже работал в этой области и помнишь…

ведущий: Да, я всё это застал.

Кэти Мак: Но в итоге все данные, похоже, указывали на ускоряющееся расширение. Нужно было понять, что может заставить Вселенную расширяться всё быстрее. И тут пригодился тот самый дополнительный член, который Эйнштейн первоначально ввёл в уравнения, чтобы Вселенная оставалась статичной. Он считал, что она не расширяется, но гравитация в ней действует, а значит, её надо чем-то уравновесить. Мы вернули этот член, чтобы не просто уравновесить гравитацию, а превысить её действие и заставить галактики удаляться друг от друга с ускорением.

ведущий: Космологическая постоянная, энергия вакуума - как угодно называй.

Кэти Мак: Да, космологическая постоянная. Обычно мы записываем её как лямбда-член. И теперь без него никуда. Правда, мы не знаем, действительно ли это космологическая постоянная. Существуют разные виды того, что мы называем тёмной энергией, способные ускорять расширение. Возможно, тёмная энергия и есть космологическая постоянная, а возможно, это нечто иначе меняющееся со временем. Мы называем её тёмной энергией, потому что не знаем, что это, и не можем её увидеть. Но она заставляет Вселенную расширяться всё быстрее. У тебя ведь есть для неё название получше?

ведущий: Я пытался назвать её «однородным натяжением». Натяжение - это отрицательное давление, а здесь именно оно и есть. Но, откровенно говоря, как и все мои великие идеи, эта опередила своё время.

Кэти Мак: Твоего гения в этом вопросе пока не признали.

ведущий: Не признали, но я стараюсь. Итак, мы знаем, что расширение Вселенной ускоряется. Это можно объяснить энергией вакуума, космологической постоянной или однородным натяжением. Её свойство в том, что на каждый кубический сантиметр приходится одно и то же количество энергии даже при расширении Вселенной. Но, как ты говорила…

Кэти Мак: Замечу, что это чрезвычайно странно.

ведущий: Чрезвычайно странно.

Кэти Мак: Обычно плотность вещества меняется, когда увеличивается объём, в котором оно находится. Если увеличить объём коробки вдвое, плотность её содержимого уменьшится. А с тёмной энергией всё иначе: увеличиваешь коробку вдвое и получаешь вдвое больше тёмной энергии. Всё в ней странно.

ведущий: Давай уточним, в каком смысле. Ведь это именно то, что предсказывает теория?

Кэти Мак: Да.

ведущий: Это странно для нас, с точки зрения привычного опыта.

Кэти Мак: Да, потому что мы никогда не сталкивались с веществом, которое ведёт себя подобным образом.

ведущий: Меня немного смущает, что люди слишком подчёркивают странность и загадочность космологической постоянной. Если она существует, всё совершенно логично. Мы прекрасно понимаем, как она работает; это не какая-то непостижимая тайна. Загадка в том, почему у неё именно такое значение, а не в её природе.

Кэти Мак: Да, с уравнениями она согласуется. Говоря о странности, я имею в виду, что ничто из нашего земного опыта и никаких других экспериментов не ведёт себя так, как космологическая постоянная.

ведущий: Совершенно верно.

Кэти Мак: По физическому смыслу это очень похоже на мяч, который подбрасываешь вверх, а он ни с того ни с сего улетает в космос. Но на космических масштабах такое допустимо - благодаря космологической постоянной.

ведущий: Как профессиональный космолог, насколько ты уверена, что тёмная энергия - именно космологическая постоянная, а не что-то динамическое? Ведь она может быть почти постоянной, но всё же немного меняться.

Кэти Мак: Данные настолько хорошо согласуются с космологической постоянной, что мне даже более странным кажется другое: что-то столь безупречно её имитирует, но при этом ею не является. Однако я бы не стала ставить слишком много на какой-то один вариант. Космологическая постоянная - моё исходное предположение. Пока не появятся свидетельства в пользу чего-то другого, буду его придерживаться.

ведущий: Моя уверенность колеблется между 90 и 95 процентами. Конечно, если окажется, что это не она, открытие будет потрясающим, поэтому проверять обязательно нужно. Но, скорее всего, это всё-таки она.

Кэти Мак: Безусловно. Только задача непростая: мы мало что можем у неё измерить.

ведущий: Да.

Кэти Мак: Если это космологическая постоянная, то она просто свойство пространства-времени. В каждой его крохотной части есть, условно говоря, небольшой толчок к расширению. Она совершенно однородна в пространстве, абсолютно невидима и только растягивает пространство. Поэтому измерить можно лишь две вещи: скорость расширения Вселенной и рост её структуры, то есть то, как собираются галактики. И всё.

ведущий: И мы уже это сделали.

Кэти Мак: Других измерений нет. Да, мы всё измерили, и выглядит это в точности как космологическая постоянная. Остаётся сказать: «Ну что ж…» [Усмехается.] Справедливости ради, некоторые альтернативы можно проверить в лаборатории: возможно, там удастся обнаружить что-нибудь интересное. Но если это космологическая постоянная, мы никогда не увидим пространственных вариаций. Плотность будет оставаться неизменной, Вселенная будет расширяться совершенно однородно, а мы просто будем всё точнее это измерять.

ведущий: Упомянутые тобой альтернативы - из тех, где шансы невелики, но потенциальный выигрыш огромен. Если они верны, это очень важно, хотя мы и не считаем их особенно вероятными.

Кэти Мак: Да. Но с космологической постоянной связаны и серьёзные загадки, о которых, по-моему, нужно говорить, а говорят, возможно, недостаточно. Например, её величина - количество энергии, присущей самому пространству-времени. Когда мы рассчитываем, сколько энергии вакуума должно приходиться на пространство, какую собственную энергию должна иметь каждая его маленькая область, получается совсем другое число. Возможно, мы просто ужасно плохо умеем это считать. Но выходит, что значение должно быть намного больше. Какова бы ни была природа космологической постоянной, её действие должно быть гораздо сильнее. Сейчас она даёт сравнительно небольшое ускорение расширения. Её вклад доминирует, потому что Вселенная стала очень большой, а всё остальное разрежается. Но величина её воздействия всё равно намного меньше, чем следует из других расчётов. Если вычислить энергию вакуума из первых принципов квантовой теории поля и сравнить с наблюдаемой космологической постоянной, получится колоссальное расхождение.

ведущий: То есть загадка не в том, что космологическая постоянная есть, а в том, что она настолько мала и при этом всё же не равна нулю.

Кэти Мак: Именно. Это очень интересный вопрос. Возможно, нам просто нужно лучше понять теорию и то, как всё согласуется. Но хорошо, что есть нечто, о чём можно сказать: «Вот это действительно странно, и нам надо разобраться». А не просто: «Ну да, мы этого и ожидали».

Мультивселенная и антропный принцип

ведущий: Именно по этим причинам многие пришли к идеям мультивселенной и антропного принципа. Так что снова прошу тебя как профессионала: расскажи нам, как всё обстоит на самом деле.

Кэти Мак: Ох! [Усмехается.] Идей мультивселенной много. Думаю, ты имеешь в виду разные вакуумы: области пространства, где космологическая постоянная принимает разные значения. Наша наблюдаемая Вселенная кажется нам огромной, но она может быть лишь небольшой частью гораздо более обширного пространства, в котором есть другие вселенные с иными значениями космологической постоянной. У нас она может быть маленькой просто потому, что при слишком большом значении галактики не смогли бы образоваться. Поэтому она должна быть достаточно близка к нулю, но не обязана точно равняться нулю. И мы случайно оказались в области, где её значение ненулевое, но подходящее для жизни. Это и есть антропное объяснение космологической постоянной. Мне никогда не нравились антропные аргументы. Вполне возможно, что когда-нибудь придётся их принять: никакого другого объяснения не будет и всё действительно окажется особенностью нашей среды. Но привлекательной я эту идею никогда не находила…

ведущий: Хорошо, но я хочу оценку в процентах. [Усмехается.] Да, вот так.

Кэти Мак: Ох.

В процентах - вероятность мультивселенной? Или того, что космологическая постоянная имеет своё значение из-за…

ведущий: Антропного принципа.

Кэти Мак: Антропного принципа. Наверное, пятьдесят на пятьдесят.

ведущий: Пятьдесят на пятьдесят? Думаю, справедливо. Мы ведь знаем так мало. Если завтра появится препринт с действительно убедительным объяснением того, почему космологическая постоянная должна иметь именно наблюдаемое значение, вера в антропный принцип резко упадёт.

Кэти Мак: Да. Некоторые вещи действительно приходится объяснять антропно. Например, почему мы живём на поверхности планеты, а не в глубоком космосе или в центре Солнца. Это ведь антропное объяснение?

ведущий: Да, очевидные антропные объяснения.

Кэти Мак: А вот антропные объяснения свойств самого космоса нравятся мне гораздо меньше.

ведущий: Посмотрим. Но если тёмная энергия действительно является космологической постоянной, если при расширении Вселенной она не меняется, что это говорит о будущем? Что ждёт Вселенную?

Тепловая смерть: медленное угасание

Кэти Мак: Стандартная картина будущего следует из принятой космологической модели. В ней есть тёмная энергия, тёмная материя, о которой мы, наверное, ещё поговорим, и обычная материя. Вселенная началась с Большого взрыва и с тех пор эволюционирует. И всё это указывает на довольно печальное, унылое будущее.

ведущий: Не надо так осуждать Вселенную. [Усмехается.]

Кэти Мак: Ладно, возможно, кого-то это вдохновляет. Но, по существу, Вселенная будет очень долго и постепенно погружаться во тьму. Я уже говорила, что космологическая постоянная начинает доминировать: всё остальное при расширении разрежается, а она нет, поэтому её доля становится всё больше. Каждая область пространства, где она присутствует, увеличивается, и расширение Вселенной всё сильнее ускоряется. В итоге между галактиками окажется столько пространства, что другие галактики перестанут быть видны.

Есть оговорка: одна галактика движется к нам и всё-таки с нами столкнётся. Примерно через четыре миллиарда лет Андромеда столкнётся с нашей Галактикой. Наша небольшая Местная группа галактик сольётся в одну большую мешанину.

ведущий: Мы связаны друг с другом гравитацией. А те, что не связаны, как…

Кэти Мак: Да, далёкие галактики.

ведущий: …мяч, подброшенный вверх, будут удаляться вечно.

Кэти Мак: Именно. Примерно через сто миллиардов лет мы уже не сможем видеть другие галактики. Они будут слишком далеко, а длины волн их света увеличатся настолько, что никакой информации от них мы получить не сможем. Внегалактической астрономии придёт конец.

ведущий: Но ещё раз: через сто миллиардов лет.

Кэти Мак: Да, это очень долго.

ведущий: Сейчас Вселенной всего четырнадцать миллиардов лет.

Кэти Мак: Именно, времени очень много. В какой-то момент мы перестанем видеть и реликтовое излучение: расширение слишком сильно растянет его волны, а плотность его энергии станет слишком мала. Поэтому люди в таком далёком будущем не смогут установить, что у Вселенной было начало. Космология станет совсем другой и будет гораздо сильнее ограничена в возможностях.

ведущий: Останется одинокий островок Вселенной. Если только нам не удастся передать потомкам записи.

Кэти Мак: Да, но независимо проверить эти сведения уже никто не сможет. Вселенная продолжит расширяться, другие галактики больше не будут к нам приближаться, и свежий материал перестанет поступать в нашу Галактику. Звездообразование прекратится: весь водород, пригодный для этого, будет израсходован на звёзды. Эти звёзды умрут и погаснут, и в конце концов останется множество чёрных дыр и…

ведущий: Сколько времени нужно, чтобы звёзды погасли?

Кэти Мак: Очень, очень много сотен миллиардов лет. Некоторые звёзды живут чрезвычайно долго, так что точного числа я не назову. Сменится много поколений, а потом они погаснут навсегда.

ведущий: Но рано или поздно топливо закончится? Наступит звёздный энергетический кризис.

Кэти Мак: Да. Новые звёзды перестанут появляться, многое сколлапсирует в чёрные дыры, а затем и сами чёрные дыры начнут испаряться. Одно из открытий Стивена Хокинга состоит в том, что если достаточно долго оставить чёрную дыру в покое, она будет терять массу за счёт квантового испускания частиц…

ведущий: Испаряться.

Кэти Мак: Да. Не знаю, как объяснить это, не вдаваясь в подробности. В общем, чёрные дыры испарятся, частицы распадутся, и мы останемся в холодной, тёмной, пустой Вселенной. Это называется тепловой смертью.

ведущий: И сколько это будет длиться?

Кэти Мак: Вечно.

ведущий: Вечно. Бесконечное число лет.

Кэти Мак: Да, хотя в некотором смысле время тогда перестанет иметь значение. При настоящей тепловой смерти - тут мы уже заходим на твою территорию - Вселенная достигает состояния максимальной энтропии. Это предельно неупорядоченное состояние, в котором вся энергия превратилась в рассеянное тепло, причём энергии очень мало. Название «тепловая смерть» связано именно с превращением энергии в тепло, но температура этого тепла будет порядка кельвина. Энергии совсем крохи.

ведущий: Невероятно мало.

Кэти Мак: Никаких структур, никакого порядка, лишь несколько случайных фотонов. Это и есть состояние максимальной энтропии. А при максимальной энтропии больше нет стрелы времени.

ведущий: Ничего сколько-нибудь интересного не происходит.

Кэти Мак: Именно. Направление времени мы определяем по тому, в какую сторону растёт энтропия. Если она больше не может увеличиваться, что вообще тогда означает время?

ведущий: Время всё-таки есть, но ты раньше правильно сказала: оно перестаёт иметь значение.

Кэти Мак: Да, ухватиться уже не за что.

ведущий: Нет стрелы времени. Один момент ничем не отличается от другого. Всё одно и то же.

Кэти Мак: Да. Вечное состояние холодной, тёмной, пустой Вселенной.

ведущий: Раньше я думал, что из-за квантовых флуктуаций такая Вселенная не будет совсем уж неподвижной. Что будут флуктуации, порождающие больцмановские мозги, даже больцмановские солнечные системы и так далее. Теперь я считаю это ошибкой, неверным применением квантовой механики. По-моему, правильно сказать так: если бы существовал наблюдатель, измеряющий квантовое состояние Вселенной, он время от времени видел бы флуктуации в виде мозгов и прочего. Но никаких наблюдателей нет, никто ничего не измеряет, вокруг ничего нет. Квантовое состояние просто остаётся неизменным во веки веков. Так что, думаю, ты права: настоящая тепловая смерть навсегда. [Усмехается.] И это самый вероятный вариант? Мы ведь собираемся предложить слушателям целое меню возможных будущих. Как ты думаешь, именно это наиболее вероятно?

Кэти Мак: Это самый прямой вывод из данных. Не нужно добавлять новую физику или продолжать наши теории за пределы области, где они имеют смысл. В этом отношении это наиболее естественная экстраполяция. Но аргумент об отсутствии флуктуаций меня пока не до конца убедил. Есть очень интересные предположения, что квантовая флуктуация может создать новую Вселенную или отдельный момент истории уже существующей, так что нечто интересное всё-таки произойдёт. Правда, это крайне спекулятивные идеи. Мы не знаем наверняка, как лучше применять квантовую механику в таких условиях.

ведущий: Думаю, ты права. К моим словам нужно добавить оговорку: если может отпочковаться совершенно отдельная, дочерняя вселенная, то такие вселенные смогут появляться и дальше. Возможно, мы сами - потомки чьей-то Вселенной.

Кэти Мак: Да, но утешение слабое: мы-то всё равно мертвы. [Усмехается.]

ведущий: Да, мы мертвы.

Кэти Мак: Для меня это всё равно конец Вселенной.

ведущий: Мы в любом случае мертвы.

Кэти Мак: Если наша наблюдаемая Вселенная достигла тепловой смерти, для неё всё закончено. Может быть, появится какая-то другая, но она никак не будет с нами связана и не унесёт никакой информации о нас. Приятно думать о своего рода возрождении, но к нам оно не имеет отношения.

ведущий: К нам - безусловно. У Фримена Дайсона была старая статья, в которой он утверждал, что в вечной Вселенной можно жить вечно.

Кэти Мак: Там есть оговорка. Я как раз разговаривала с ним об этом пару недель назад. Сейчас я много с кем это обсуждаю…

ведущий: Ты ведь пишешь книгу.

Кэти Мак: Да, для книги. Так вот, это работает лишь во Вселенной с линейным расширением, но не с ускоряющимся. Он немного расстроился, что его идея больше не работает. Смысл был в том, что во вечно расширяющейся Вселенной можно всё сильнее замедлять обработку информации, впадать в спячку и так далее и таким образом технически жить бесконечно.

ведущий: Но в этом всегда было некоторое жульничество. Просто рабочие циклы становятся всё медленнее.

Кэти Мак: Да, однако, кажется, это давало ему какую-то надежду. А теперь получается: «Нет, не выйдет». [Усмехается.]

ведущий: Странная человеческая особенность. Даже понимая, что через сто лет нас почти наверняка не будет в живых, мы всё равно не хотим, чтобы через квадриллионы лет умерла Вселенная.

Кэти Мак: Это очень интересно. Пока пишу книгу, я много об этом размышляю. Если Вселенная когда-нибудь закончится, значит, мы не оставим никакого наследия. Наступит момент, после которого уже ничто не будет иметь отношения к тому, что мы когда-то существовали.

ведущий: Бессмысленность всего становится особенно ощутимой.

Кэти Мак: Да. И приходится думать: как тогда находить смысл жизни? Кто-то находит его в том, что повлияет на будущие поколения, вырастит детей, сделает удивительное открытие, продвинет человечество вперёд. Или просто будет хорошим человеком, благодаря которому вокруг происходит что-то хорошее, станет делать добро. Но если заглянуть достаточно далеко в будущее, ничто из сделанного тобой уже не будет иметь значения и никогда больше его не приобретёт. Это нелегко принять. Возникает вопрос: можно ли придать жизни смысл, если сама жизнь, этот смысл и все последствия твоих поступков в конце концов исчезнут?

ведущий: Вселенная в духе YOLO: живёшь только раз. Наслаждайся настоящим, а не будущим, потому что будущее удручающе конечно.

Кэти Мак: Да, очень дзенский подход. Нужно по-настоящему жить в настоящем, потому что больше ничего нет. [Усмехается.] Вот и всё, что тебе дано.

Большое сжатие: возвращение к огню

ведущий: Что ж, спасибо, Кэти. Давай посмотрим, нет ли у Вселенной других, более жизнерадостных вариантов будущего.

Кэти Мак: Более жизнерадостных… Проблема в том, что хорошо это не заканчивается.

ведущий: Кстати, я и сам не думаю, что есть варианты повеселее. [Усмехается.] Это риторический ход. Прости, я поставил перед тобой невыполнимую задачу.

Кэти Мак: Счастливого конца не бывает, но бывают более эффектные. Тепловая смерть - стандартная картина. Однако если тёмная энергия не космологическая постоянная, а что-то меняющееся со временем, ничто не запрещает ей изменить своё действие и вместо расширения вызвать сжатие. Тогда нас может ждать Большое сжатие.

ведущий: Противоположность Большого взрыва.

Кэти Мак: Да. В какой-то момент расширение остановится, сменится сжатием, и всё начнёт сходиться обратно. Это очень впечатляющий вариант: галактики будут сближаться, взаимодействовать, сливаться; всё станет плотнее и теснее. У Большого сжатия есть любопытная особенность, связанная с гибелью звёзд. Казалось бы, если сталкиваются галактики, звёзды тоже должны сталкиваться и взрываться. Но на самом деле при столкновении галактик вероятность столкновения отдельных звёзд крайне мала. Даже когда мы через четыре миллиарда лет столкнёмся с Андромедой, вероятность, что отдельные звёзды налетят друг на друга, будет исчезающе мала.

ведущий: Пространства очень много.

Кэти Мак: Огромное количество. Даже когда галактики сближаются. Но при Большом сжатии сжимается само пространство, а вместе с ним не только материя, но и всё излучение. Во Вселенной есть реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Его энергия вновь сожмётся до той плотности, которая была в ранней Вселенной. Мы снова начнём приближаться к состоянию горячей плазмы. Но всё ещё хуже: за время после Большого взрыва успели посветить звёзды. Поэтому вокруг много излучения с более высокой энергией: рентгеновского, ультрафиолетового, видимого света. Оно тоже начнёт сжиматься. Нас буквально поджарит фон из света всех когда-либо светивших звёзд. А потом плотность станет такой большой, что загорятся даже поверхности звёзд: на них начнут происходить термоядерные взрывы.

ведущий: На поверхности, а не в центре, где реакции идут сейчас.

Кэти Мак: Да. Звёзды начнут выгорать снаружи внутрь, и на этом этапе уже ничто не сможет выжить. [Усмехается.] Всё.

ведущий: Значит, Большое сжатие - это не просто Большой взрыв, прокрученный назад.

Кэти Мак: Нет, всё хуже.

ведущий: Не обращение времени.

Кэти Мак: Да, хуже, чем просто возвращение к Большому взрыву.

ведущий: Вопрос в том, лучше ли сгореть, чем угаснуть. В любом случае нам конец, но при тепловой смерти мы медленно соскальзываем в небытие, а при Большом сжатии нас зажарит и мы сгорим. И можно будет предсказать, когда это случится. Если Вселенная сжимается по законам общей теории относительности, мы сможем точно сказать, сколько нам осталось.

Кэти Мак: Да. Если бы мы измерили очень большой параметр замедления, у нас была бы дата, конкретный срок до конца. По-моему, это довольно страшная перспектива.

ведущий: На мой взгляд, гораздо хуже тепловой смерти.

Кэти Мак: Да. Наверное, единственная надежда для некоторых людей в том, что отдельные модели Большого сжатия допускают отскок. После сжатия происходит новый Большой взрыв. Опять-таки, это уже не наша Вселенная, для нас всё кончено. Но кому-то такая идея нравится.

[Смех]

ведущий: То есть наша Вселенная может отскочить и превратиться во что-то новое, но от нас не останется никаких записей?

Кэти Мак: Именно.

ведущий: Нельзя передать через отскок книги или компакт-диски?

Кэти Мак: Нет.

ведущий: Или подкасты, что угодно.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Понятно.

Кэти Мак: Позже я могу рассказать подробнее. В некоторых моделях Вселенной с отскоком кое-что через него всё-таки проходит, но описанный сценарий Большого сжатия к ним не относится.

Большой разрыв и способы измерить тёмную энергию

Итак, есть Большое сжатие. Но тёмная энергия может преподнести и другую неприятность, ведущую к иному концу Вселенной. Речь о так называемой фантомной тёмной энергии. С теоретической точки зрения с ней масса проблем, и я знаю, что тебе она не нравится, но…

ведущий: У меня есть своё мнение, но всё нормально. У нас свободная страна.

Кэти Мак: Идея интересная. У обычной космологической постоянной плотность всегда и везде одна и та же. А у фантомной тёмной энергии плотность со временем растёт. В результате она начинает не просто раздвигать галактики, но и разрывать сами галактики, отрывать от них звёзды, отрывать планеты от звёзд. Плотность растёт и растёт, пока не достигает значения, при котором разрывается вся Вселенная. Сначала скопления галактик, потом галактики, затем планеты, затем атомы. Вся Вселенная буквально раздирается на части. Это называется Большим разрывом.

ведущий: Тоже звучит не слишком хорошо.

Кэти Мак: Да. И это ещё один пугающий вариант, потому что его тоже можно было бы предсказать. Измерив определённые свойства тёмной энергии, мы получили бы дату. Сейчас мы измеряем параметр её уравнения состояния, обозначаемый . Он характеризует соотношение между давлением и плотностью энергии. Измерения показывают, что он равен минус единице или очень к ней близок. Если он чуть меньше минус единицы, это фантомная тёмная энергия, которая приводит к Большому разрыву. Зная значение , можно точно вычислить, сколько лет осталось до разрыва. Пока данные согласуются с , но значение, которое лучше всего им соответствует…

ведущий: означает постоянную энергию на кубический сантиметр.

Кэти Мак: Да, космологическую постоянную. Но наилучшая оценка по нынешним измерениям чуть меньше минус единицы.

ведущий: Ну… У измерений есть погрешности.

Кэти Мак: И они настолько велики, что мы на самом деле ничего определённого сказать не можем.

ведущий: Давай не будем слишком пугать людей.

Кэти Мак: Конечно. Но с учётом допустимого данными диапазона можно вычислить минимальное время, которое есть у Вселенной. Получается как минимум 120 миллиардов лет. Если истинное значение действительно , то по мере уточнения измерений эта нижняя граница будет всё выше. Сейчас у нас минимум 120 миллиардов лет. Следующие эксперименты, измеряющие , могут дать, скажем, 500 миллиардов или сколько-то ещё. Если мы действительно живём во Вселенной с космологической постоянной, то будем просто отодвигать возможный конец всё дальше и дальше.

ведущий: Да.

Кэти Мак: Но сама возможность точно рассчитать срок, если такой сценарий реализуется, очень интересна. Твоё возражение против фантомной тёмной энергии состоит в её теоретических проблемах, верно? Она нарушает энергетические условия. Есть причины, по которым плотность тёмной энергии не должна повсюду непрерывно расти: в теории начинают происходить неприятности. Но мне нравится, что достаточно совсем немного расширить пространство параметров модели - и можно уничтожить Вселенную.

[Смех]

ведущий: Стоит подчеркнуть: разрыв галактик, звёзд и прочего из-за роста плотности энергии характерен именно для моделей фантомной энергии. Космологическая постоянная галактики не разрывает.

Кэти Мак: Да, космологическая постоянная расширяет по-настоящему пустое пространство. Гравитационно связанные системы она не разрушает. По существу, в такой области уже есть определённое количество тёмной энергии и связанная материя. Больше тёмной энергии там не появится, потому что её плотность со временем не растёт.

ведущий: Ты уже намекнула на это, но стоит подчеркнуть: мы пытаемся различить эти варианты экспериментально. Дальше будут и другие, но пока ты описала три: тепловую смерть, Большое сжатие, то есть повторный коллапс, и Большой разрыв. И мы действительно пытаемся выяснить, какой из них осуществится.

Кэти Мак: Да. Измерение свойств тёмной энергии - по сути, основной способ отличить эти модели друг от друга. Если мы точно выясним, как она вела себя раньше и ведёт сейчас, то сможем экстраполировать её поведение в будущее: продолжится ли всё как сейчас, станет ли она сильнее, изменит ли характер действия, ослабеет ли.

ведущий: А как лучше всего это измерить?

Кэти Мак: Как я уже говорила, тёмную энергию измерять трудно. По существу, мы можем изучать историю расширения и скорость роста структуры. Измерения реликтового излучения тоже дают подсказки: тёмная энергия влияет на наблюдаемые свойства его флуктуаций, и из их спектра можно извлечь некоторую информацию. Кроме того, есть лабораторные эксперименты по проверке альтернативных моделей. Но главное - очень тщательно измерять, как Вселенная расширялась начиная с ранних времён.

ведущий: Какие самые крупные проекты помогут нам это сделать?

Кэти Мак: Например, LSST, Large Synoptic Survey Telescope, - Большой обзорный телескоп. Он будет многократно снимать одни и те же участки неба, снова и снова проводя обзор всего доступного неба. Мы получим прекрасные данные о галактиках и других объектах. Обзоры далёких сверхновых тоже могут многое рассказать. Зная свойства сверхновых, мы определяем расстояния до них и по этим данным восстанавливаем скорость расширения. Это один из наших методов. Есть и другие инструменты и проекты, специально ориентированные на тёмную энергию: Dark Energy Camera, Dark Energy Survey и подобные.

ведущий: Ты упомянула крупномасштабную структуру. Объясни подробнее, как на неё влияет тёмная энергия.

Кэти Мак: Под крупномасштабной структурой я имею в виду расположение галактик и их скоплений во Вселенной. Они образуют своего рода космическую паутину: есть скопления, есть нити, вдоль которых расположены галактики, и есть огромные пустоты. Измерив устройство этой структуры, можно восстановить, как она возникла и росла со временем. Это расскажет нам о влиянии тёмной энергии. Галактики и скопления растут благодаря гравитационному коллапсу, но ему постоянно противодействует расширение Вселенной. По мере ускорения расширение всё сильнее мешает дальнейшему образованию структур. Поэтому форма и статистические характеристики крупномасштабной структуры многое говорят о составе Вселенной и его изменении со временем.

ведущий: Как если бы мы подбросили множество мячей и посмотрели, какие улетят, а какие вернутся…

Кэти Мак: Да. Или, скажем, вы пытаетесь собрать пазл, а кто-то тем временем растягивает стол в разные стороны. И можно выяснить…

ведущий: Получается гонка, состязание.

Кэти Мак: Именно. По тому, насколько успешно удаётся собрать пазл, можно судить о том, что происходит со столом.

ведущий: Похоже, для понимания будущего Вселенной главное - тёмная энергия.

Кэти Мак: Для этих сценариев - да. Но есть оговорки: существует другой сценарий конца Вселенной, почти не связанный с тёмной энергией. Он следует из нашего понимания физики частиц. В последнее время он стал особенно популярен благодаря измерениям на Большом адронном коллайдере. Это распад вакуума…

ведущий: Вот чего, уверен, все и ждали. Распад вакуума. Самая интересная часть.

Поле Хиггса, ложный вакуум и квантовое туннелирование

Кэти Мак: Это совершенно точно самый замечательный, самый интересный способ закончить Вселенную. Начну со Стандартной модели физики элементарных частиц. Она объединяет наши экспериментально установленные знания о частицах и фундаментальных взаимодействиях. Есть определённый набор частиц: кварки, лептоны, калибровочные бозоны - переносчики взаимодействий. Мы изучили эти частицы, измерили их свойства и знаем, как они ведут себя. Всё это и составляет Стандартную модель. Последним недостающим элементом был бозон Хиггса, открытый на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Его открытие рассказывает нам о том, как физика частиц изменилась в очень ранней Вселенной, благодаря чему возник наш нынешний уютный мир, где атомы могут объединяться в молекулы…

ведущий: Где есть химия.

Кэти Мак: Да, химия. Всё это возможно благодаря тому, что в ранней Вселенной произошло с полем Хиггса - полем, заполняющим пространство. Бозон Хиггса представляет собой возбуждение этого поля, своего рода маленький кусочек, который можно отделить и исследовать на коллайдере.

ведущий: Заинтересованные слушатели могут купить мою книгу на эту тему. [Усмехается.]

Кэти Мак: Именно. [Усмехается.] Когда у нас есть вся Стандартная модель, включая бозон Хиггса, мы можем изучать, как сработал этот механизм и действительно ли в результате получилась устойчивая Вселенная. По массам бозона Хиггса и t-кварка можно определить, где мы находимся на карте возможных устойчивых и неустойчивых вселенных. Под устойчивой я имею в виду Вселенную, в которой законы физики частиц, как ожидается, навсегда останутся такими же.

ведущий: Навсегда.

Кэти Мак: Возможна и неустойчивая Вселенная, которая уже успела бы себя разрушить и вообще не могла бы существовать в нынешнем виде. А есть метастабильная Вселенная: сейчас с физикой частиц всё в порядке, но когда-нибудь всё развалится…

ведущий: Вот об этом подробнее. Что значит «всё развалится»?

Кэти Мак: Для объяснения нужно немного рассказать о поле Хиггса. Оно заполняет пространство, а взаимодействие частиц с ним определяет их массы. Например, электрон слабо взаимодействует с полем Хиггса и потому имеет небольшую массу. t-кварк взаимодействует иначе, гораздо сильнее, и его масса больше. Кварки - составные части протонов и нейтронов, хотя t-кварки в их состав не входят: они родственники тех кварков, которые входят. Итак, массы связаны со взаимодействием частиц с полем Хиггса. Но само поле может со временем меняться, и его значение, связанное с его энергией, уже менялось со времён очень ранней Вселенной.

ведущий: То есть изменение не просто гипотетически возможно. Мы считаем, что оно уже действительно происходило.

Кэти Мак: Оно происходило.

ведущий: Раньше значение поля Хиггса было другим.

Кэти Мак: Да. Теперь у него определённое значение, которое можно измерить. Но не исключено, что оно может принять другое, энергетически более выгодное значение. Обычно это изображают так: есть долина, в ней лежит шарик, и его положение достаточно устойчиво. Однако если это не настоящая долина, а лишь небольшая впадина на склоне гораздо более глубокой долины, шарик может лежать во впадине, но стоит его слегка толкнуть - он скатится ниже и окажется в глубокой долине.

Дно глубокой долины соответствует устойчивому состоянию, а верхняя впадина - менее устойчивому. Достаточно преодолеть небольшой барьер, и шарик скатится в энергетически более выгодное положение. Примерно как чашка чая у края стола: вроде бы стоит устойчиво, но чуть заденешь - она упадёт на пол. Вот там её положение уже по-настоящему устойчиво. Поэтому чай лучше ставить на пол или хотя бы подальше от края стола.

ведущий: Но ты говоришь, что поле Хиггса сохраняет нынешнее значение уже примерно 13,8 миллиарда лет, и всё-таки это может быть временно?

Кэти Мак: Да. Возможно, наша чашка стоит не на самом краю, а посреди стола. Но ей всё равно есть куда упасть…

ведущий: Шанс остаётся.

Кэти Мак: Есть способ свалиться. В обычной жизни чашка в центре стола не окажется на полу, если не произойдёт что-нибудь серьёзное и её не столкнут. Но, к сожалению, на уровне таких полей, как поле Хиггса, Вселенная устроена квантовомеханически. А в квантовой механике есть квантовое туннелирование. Очень маловероятно, что что-то действительно переведёт поле Хиггса в другой минимум, если он существует. Но если достаточно долго подождать, оно может протуннелировать сквозь барьер и оказаться в другом минимуме. Это как… Я уже привожу массу аналогий, но…

ведущий: Продолжай, это полезно.

Кэти Мак: Представь камешек во впадине на склоне долины. Его можно вытолкнуть, но допустим, для этого нужно много энергии. А теперь представь, что край впадины мягкий и камешек может пройти прямо сквозь него, а затем скатиться к подножию склона. На первый взгляд это не кажется чем-то ужасным. Мы ведь в повседневной жизни не замечаем поле Хиггса. Какая разница, какова его величина? Но если изменить значение поля, фундаментальные параметры природы изменятся так, что атомы больше не смогут существовать как связанные системы.

ведущий: Никакой химии. Конец всему этому.

Кэти Мак: Никакой химии, ничего хорошего. А если поле Хиггса перейдёт к гораздо большему значению, то, в некотором смысле, всё станет массивнее, и это может привести к гравитационному коллапсу всей Вселенной.

ведущий: Звучит плохо.

Кэти Мак: Да, приятного мало. В другой минимум поля Хиггса нам попадать не хочется. Это состояние называют истинным вакуумом. Мы же, по-видимому, живём в ложном. «Ложным» его называют потому, что это не подлинное вакуумное состояние Вселенной, не настоящее…

ведущий: Не окончательное, абсолютно устойчивое. Но подожди, уточним. Ты говоришь, что другое вакуумное состояние, в котором энергия поля Хиггса ниже и куда оно стремится перейти, не просто мыслимо: мы считаем, что оно действительно есть?

Кэти Мак: Да, данные экспериментов указывают на вероятное существование другого вакуума. Мы живём в ложном вакууме, а в теории есть истинный, в который поле Хиггса может перейти за счёт квантового туннелирования.

Пузырь квантовой смерти

ведущий: Туннелирование произойдёт сразу во всей Вселенной? Как это работает?

Кэти Мак: Нет, и вот тут самое интересное. Сразу скажу: вероятность такого события очень мала. Как и в случае квантового туннелирования вообще, оно маловероятно, но если ждать достаточно долго, рано или поздно произойдёт. Поле Хиггса существует повсюду, и в любой точке пространства в любой момент оно может с очень небольшой вероятностью протуннелировать в истинный вакуум. Если это случится в одной области, она переведёт в истинный вакуум и окружающее поле. Возникнет расширяющийся пузырь истинного вакуума. Подчеркну: внутри истинного вакуума мы жить не можем. Стенка расширяющегося пузыря представляет собой оболочку с огромной энергией, которая сжигает всё, к чему прикасается. А то, через что она прошла, оказывается внутри истинного вакуума, где уже не может сохранять свою структуру и, возможно, коллапсирует.

ведущий: Либо взорвётся, либо схлопнется, но в прежнем виде не останется.

Кэти Мак: Да. Пузырь, вероятно, будет расширяться со скоростью света или очень близкой к ней, проходя через Вселенную и уничтожая абсолютно всё. Из-за такой скорости увидеть его приближение невозможно. Если бы он возник на другом конце комнаты, то к моменту, когда свет от него достиг бы вас, сам пузырь уже накрыл бы вас и поглотил. Предупреждения не будет. К счастью, почувствовать вы тоже ничего не успеете: нервные импульсы не распространяются со скоростью света. Но уничтожено будет всё. Технически это может случиться в любой момент. Вероятность очень мала, однако прямо сейчас поле Хиггса в этой комнате могло бы протуннелировать и создать пузырь истинного вакуума, который всё уничтожит.

ведущий: И главным образом мы знаем, что это маловероятно, потому что до сих пор этого не произошло?

Кэти Мак: Не только. Мы также можем измерять параметры поля Хиггса и по ним оценивать характерное время туннелирования. Получается, что оно очень велико. Я видела оценки порядка или лет до того, как такое событие станет вероятным в нашей наблюдаемой Вселенной. К тому времени нам, наверное, уже будет всё равно: мы далеко продвинемся по пути к тепловой смерти. Так что большой разницы не будет. Но в последнее время я занимаюсь вот чем. Несколько других исследователей провели расчёты, согласно которым очень маленькая чёрная дыра в процессе испарения может запустить распад вакуума в своей окрестности…

ведущий: Можно ускорить процесс.

Кэти Мак: Да. Испаряющаяся маленькая чёрная дыра может значительно повысить вероятность туннелирования поблизости. Если оставить чёрную дыру в покое и дать ей испариться до конца, она способна послужить зародышем распада вакуума. В нашей Галактике много чёрных дыр. По мере приближения тепловой смерти они перестанут поглощать вещество и будут только испаряться. Если оценить оставшееся время существования наблюдаемой Вселенной по испарению известных нам чёрных дыр, времени оказывается гораздо меньше. [Усмехается.] Хотя всё равно…

ведущий: Всё равно очень много.

Кэти Мак: Порядка лет. И мы не вполне уверены, что чёрные дыры вообще могут так воздействовать на вакуум. Мы даже не уверены окончательно, что распад вакуума возможен.

ведущий: А оценка в лет получается, если брать чёрные дыры с массой Солнца или больше…

Кэти Мак: Пять масс Солнца.

ведущий: Пять масс Солнца - те, о которых мы знаем. Если во Вселенной есть маленькие чёрные дыры, всё может произойти намного быстрее.

Кэти Мак: Да. Эти расчёты позволяют, например, показать: если распад вакуума возможен, то во время Большого взрыва не могли образоваться маленькие чёрные дыры определённого размера. Речь о так называемых первичных чёрных дырах, которые иногда обсуждают…

ведущий: Они не могут быть тёмной материей.

Кэти Мак: Прости?

ведущий: Например, не могут составлять тёмную материю.

Кэти Мак: Здесь есть оговорки, связанные с массами. Некоторые диапазоны масс ещё не исключены. Но совсем маленькие дыры, которые к настоящему времени уже испарились бы, могли уничтожить Вселенную. Поэтому, вероятно, их нет.

ведущий: Итак, буквально в любой точке нашей Вселенной с радиусом сорок с лишним миллиардов световых лет есть небольшая вероятность, что поле Хиггса перейдёт к большему значению. Возникнет пузырь, который будет расширяться со скоростью света, в конце концов доберётся до нас, и все мы погибнем.

Кэти Мак: Да.

ведущий: А мы сами можем ускорить это не только созданием чёрных дыр? Например, не запустим ли мы собственный конец на Большом адронном коллайдере?

Кэти Мак: Нет, на БАК мы этого сделать не можем. Можно представить, что мы создали маленькую чёрную дыру, и она запустила процесс. Но столкновения частиц, доступные нам на Большом адронном коллайдере, гораздо слабее того, что постоянно происходит с космическими лучами. Мы регистрировали частицы космических лучей - ядра, протоны, прилетающие из далёких галактик, - с энергиями намного выше достижимых на БАК. Мы даже близко не можем создать столкновения с такой энергией. Уже сам факт, что они постоянно происходят в космосе и до сих пор нас не уничтожили, говорит: наши скромные земные столкновения частиц не могут представлять подобной опасности.

ведущий: То есть машину Судного дня в духе «Доктора Стрейнджлава» на основе распада вакуума построить не получится?

Кэти Мак: Нет.

ведущий: Какое разочарование.

Кэти Мак: Я обсуждала с коллегами, можно ли сделать это намеренно. Похоже, нельзя.

ведущий: Если переписываться о таком по электронной почте, можно попасть в какой-нибудь список наблюдения.

Кэти Мак: Да, это отдельная тема. Насколько нам известно, способа создать маленькую чёрную дыру нет. Космические лучи, очевидно, тоже их не создают. Мы с моим коллегой Робертом Макнисом как раз недавно написали статью: если космические лучи не создают маленькие чёрные дыры, уничтожающие Вселенную, это позволяет кое-что узнать о дополнительных пространственных измерениях. При наличии дополнительных измерений чёрные дыры образуются легче. Поэтому отсутствие маленьких чёрных дыр, которые затем запустили бы распад вакуума, позволяет ограничить свойства этих измерений. Так что подобные рассуждения можно использовать для изучения новой физики…

ведущий: Превращаешь лимоны в лимонад.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Используешь тот факт, что мы всё ещё здесь и не погибли, чтобы ограничить параметры Вселенной.

Кэти Мак: И это интересно. Мне нравится разбирать такие «а что, если». Конечно, идея пузыря квантовой смерти, который проходит по Вселенной и всё убивает, звучит страшно, но…

ведущий: Пузырь квантовой смерти…

Кэти Мак: Да.

ведущий: Отличное название для группы, но жуткая перспектива.

Кэти Мак: Пока мы так плохо понимаем возможный механизм, что лучшее, что можно сделать, - проводить расчёты, искать интересные следствия и пытаться чему-то научиться на таких гипотезах. Может быть, произойдёт, может быть, нет. Что это нам говорит? Какие выводы можно сделать? Это одна из главных причин, по которым интересно думать о конце Вселенной: так мы узнаём больше о предпосылках собственной физической модели. Берём то, что знаем, и экстраполируем до самой границы знания. Что получается? Либо сведения о далёком будущем, либо понимание того, какие допущения заложены в модель и как это помогает разобраться в сегодняшней физике. Это увлекательная задача. Исследуя маленькие чёрные дыры, распад вакуума, космические лучи и прочее, мы просто используем все доступные инструменты, чтобы через такие смелые экстраполяции чуть лучше понять реальную физику нынешнего мира.

ведущий: Значит, даже у перспективы полной гибели всех, кого ты знаешь и любишь, есть светлая сторона.

[Смех]

Кэти Мак: Именно. И справедливости ради…

ведущий: Иногда космический взгляд на вещи действительно полезен.

Кэти Мак: Справедливости ради, беспокоиться о распаде вакуума незачем. Во-первых, он крайне маловероятен. Некоторые считают, что сама возможность такого распада скорее говорит о недостатках теории и о том, что мы её не до конца понимаем. А кроме того, вы ничего не почувствуете. Даже не заметите случившегося: не увидите приближения пузыря и ничего не ощутите.

ведущий: Не самый плохой способ уйти.

Кэти Мак: Никто не будет по вам тосковать. Никаких трагических последствий для оставшихся…

ведущий: Кэти, это очень слабое утешение.

Кэти Мак: Не знаю. По-моему, есть куда более насущные поводы для беспокойства, на которые мы хотя бы можем повлиять.

ведущий: Верно. Но вернёмся к прежней мысли: в случае Большого разрыва или Большого сжатия вполне можно представить, что мы точно предскажем момент катастрофы.

Кэти Мак: Да.

ведущий: А особенность распада вакуума в том, что ты ничего не знаешь.

Кэти Мак: Совершенно ничего.

ведущий: И даже не узнаешь, что ошибся.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Вот ты идёшь в магазин, с оптимизмом думаешь, что приготовишь вечером, - и тебя уже нет.

Кэти Мак: Да. И самое досадное, что не удастся проверить, был ли ты прав. Можно делать расчёты…

ведущий: Вот что действительно важно.

Кэти Мак: А опубликовать результат не получится, верно?

ведущий: Именно.

Кэти Мак: И какой тогда смысл?

ведущий: После смерти Вселенной цитируемость уже не вырастет.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Напомню, идея уничтожения Вселенной при распаде вакуума не новая. Ещё в семидесятые её разрабатывали Сидни Коулман и другие.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Но я хочу и сам это осознать, и донести до слушателей: теперь появилась новая информация. Речь уже не просто о каких-то возможных полях, распад которых способен всё уничтожить. Это могут сделать поля, которые мы действительно знаем и обнаружили.

Кэти Мак: Именно. Лучшие измерения свойств поля Хиггса, полученные на Большом адронном коллайдере, указывают на метастабильность. То есть Вселенная устойчива сейчас, но не навсегда. Если достаточно долго подождать, произойдёт распад вакуума.

ведущий: Но уверенности нет, потому что этому могут помешать новые поля или что-то ещё.

Кэти Мак: Да. Это ещё одна причина не слишком переживать. Вся эта картина распада вакуума опирается на предположение, что Стандартная модель физики частиц исчерпывает описание мира. Но мы знаем, что это невозможно. Она не вполне согласуется с общей теорией относительности. Должно существовать что-то, что её заменит или изменит. Спасут ли эти изменения от распада вакуума, мы не знаем. Но вполне может обнаружиться нечто, что изменит наше понимание так, что выяснится: беспокоиться вообще было не о чем. Однако если принимать Стандартную модель буквально и экстраполировать её до конца, данные говорят именно об этом. Стандартная модель очень успешна и выдержала все проверки. Но, как и в случае общей теории относительности, мы почти уверены, что это не полная картина. Должно быть что-то ещё. Тёмная материя и тёмная энергия в Стандартную модель не вписываются.

ведущий: Да.

Кэти Мак: Значит, обязательно есть нечто, что изменит наши представления.

ведущий: Тёмную энергию вписать довольно легко, но тёмную материю - действительно…

Кэти Мак: Если тёмная энергия - космологическая постоянная, она вообще относится к другой части описания. Но если это динамическое поле, то в Стандартную модель оно не входит.

Большой отскок и циклические вселенные

ведущий: Но ты упомянула чуть более обнадёживающий вариант: если тёмная энергия - динамическое поле, Вселенная может сжаться, а затем возродиться в следующем цикле.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Не просто сжаться, а отскочить.

Кэти Мак: Конечно. Есть несколько давно обсуждаемых идей, в которых коллапс сменяется отскоком. Одну из них впервые описали мои научные руководители Пол Стейнхардт и Нил Турок. Возможно, в очень ранней Вселенной вместо стремительного расширения происходило медленное сжатие. Это могло бы объяснить некоторые из тех же особенностей ранней Вселенной, которые мы наблюдаем. Сжатие в такой картине подготавливает новое расширение. Получается Вселенная, которая расширяется, затем сжимается, затем снова расширяется, проходя циклы с отскоками. Это экпиротическая модель. За прошедшие годы она существовала в разных вариантах.

Первоначально предполагались две параллельные вселенные, которые сталкиваются, расходятся и снова сталкиваются, словно ладони при хлопке. Теперь есть вариант без дополнительных измерений и других вселенных, но с похожим циклом сжатия и расширения. Такие циклические модели существуют, и в некоторых из них что-то может сохраниться при переходе из одного цикла в другой. Плотность не обязательно становится бесконечной: полноценной сингулярности, от которой пришлось бы отскакивать, может не быть. Возможен более плавный отскок, через который удастся пронести что-нибудь интересное.

ведущий: Хорошо, но ещё раз уточним.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Речь ведь не о том, что мы построим очень надёжный сейф…

Кэти Мак: Нет.

ведущий: …положим туда информацию…

Кэти Мак: Нет-нет.

ведущий: …и отправим капсулу времени в будущее.

Кэти Мак: По существу, всё будет уничтожено. Но могут сохраниться какие-нибудь следы, например флуктуаций плотности материи, и пройти через отскок.

ведущий: Тогда каковы шансы, что, достаточно внимательно изучив реликтовое излучение, мы расшифруем сигналы из прежних вселенных?

Кэти Мак: Смотря кого спросить. Есть ведь ещё модель Роджера Пенроуза.

ведущий: Он уже был гостем подкаста.

Кэти Мак: Понятно.

ведущий: Роджер Пенроуз, да.

Кэти Мак: Да.

ведущий: Мы об этом говорили.

Кэти Мак: Он ищет в реликтовом излучении сигналы от предыдущего цикла. Вопрос, удалось ли действительно что-то увидеть, вызывает большие споры. Большинство считает эти небольшие необычные флуктуации, скорее всего, статистическим шумом. Но, возможно, по мере дальнейшего изучения реликтового излучения мы увидим признаки предыдущего цикла или взаимодействия с другой вселенной. Есть также модели, в которых во время инфляции возникают отдельные вселенные-пузыри. Они могут сталкиваться, и следы такого столкновения тоже могли бы остаться в реликтовом излучении.

Таким образом, хотя реликтовое излучение показывает нам очень раннюю Вселенную, оно способно кое-что рассказать и о её будущем. Поняв, как Вселенная началась, мы сможем проверить, совместимо ли это с циклической моделью или даже с моделью мультивселенной.

ведущий: Лично мне циклические модели не очень нравятся, потому что в них невозможно решить проблему стрелы времени. Они требуют бесконечно тонкой настройки энтропии Вселенной в бесконечно далёком прошлом. Впрочем, я могу ошибаться. А может, такая же тонкая настройка нужна и в других случаях, кто знает.

Кэти Мак: Сейчас возможны самые разные варианты. Мы ещё многого не понимаем в фундаментальном устройстве физики: у нас нет теории квантовой гравитации. Кроме того, сейчас обсуждают, не являются ли пространство и время чем-то производным, возникающим из чего-то другого - возможно, квантового, как ты и рассказывал. Может быть, происходящее настолько далеко от нашего понимания, что все наши предположения о том, как вселенные должны или не должны вести себя, просто неверны.

Сможем ли мы узнать судьбу Вселенной

ведущий: Для слушателей, которые не занимаются физикой профессионально: есть ли шанс всё-таки разобраться? Это безнадёжно философские спекуляции или мы действительно продвигаемся в решении этих вопросов?

Кэти Мак: Ты имеешь в виду будущее Вселенной или…

ведущий: И будущее, и прошлое. Почему возникают циклы, существуют ли разные вакуумы?

Кэти Мак: Последние несколько недель, а на самом деле уже месяцев, я разговариваю с разными учёными именно об этом: как нам разобраться и построить верную модель будущего Вселенной. Единого мнения у моих собеседников нет. Одни настроены оптимистично и считают, что мы действительно всё выясним. Вчера я разговаривала с Клиффордом Джонсоном, специалистом по теории струн, который работал над…

ведущий: Клиффорд Джонсон тоже был гостем подкаста.

Кэти Мак: Да. Он уверен, что мы разберёмся, но допускает, что на это уйдёт лет сто. Другие говорят: «Мы вообще не понимаем, что происходит. Эксперименты не дают полезных зацепок. Наблюдения тоже. А в теории мы увязли». Сейчас интересное время: все эксперименты по физике частиц согласуются со Стандартной моделью. Все измерения космической эволюции согласуются с принятой космологической картиной: тёмная материя, тёмная энергия, расширение, Большой взрыв. Общая теория относительности блестяще проходит все проверки. Но мы знаем, что всё это не складывается в единую непротиворечивую фундаментальную теорию. Значит, где-то что-то должно измениться. Мы не знаем, что именно, и по существу не имеем подсказок, в каком направлении искать.

Возможно, нужно больше данных, и тогда станет видно, где появляются трещины. А может, нужен теоретический прорыв: более глубокое понимание, например, квантовой информации укажет путь к новой теории, которая объединит всё и покажет, как части картины связаны друг с другом. Пока вопрос открыт. И это любопытно: наши модели так хорошо предсказывают результаты и так точно совпадают с данными. Мы очень хорошо понимаем, из чего состоит Вселенная, сколько она существует, как развивалась на протяжении 13,8 миллиарда лет. Всё это умеем рассчитывать и измерять. Но в самом фундаментальном устройстве реальности чего-то не понимаем. Интересное положение.

ведущий: Да. Для учёного это как раз то, что нужно. Только хотелось бы больше подсказок от наблюдений и экспериментов.

Кэти Мак: Хотелось бы обнаружить что-нибудь странное, чего нельзя объяснить нынешними моделями. Было бы здорово. Но пока такого немного. Есть несколько небольших аномалий, которые могут указывать на новую физику, а могут и не указывать. Нет ничего, о чём можно было бы уверенно сказать: «Наши модели этого не объясняют, значит, нужна другая модель». Кроме несогласованности между очень успешными картинами, каждая из которых работает в своей области, таких указаний у нас нет.

Конец Вселенной и смысл нашей жизни

ведущий: А на более личном уровне - не только для тебя, а вообще для нас как людей? Мы говорим о сроках порядка лет или даже о бесконечности. Кстати, я ещё не сказал этого вслух, но меня очень удивляет, что у Вселенной за плечами примерно лет, а впереди - бесконечность или, скажем, лет. По любой разумной мерке мы живём в самом-самом начале её истории. Почему? Есть ли этому хорошее объяснение? Это тоже своего рода космологические вопросы. Но меня интересует и другое: влияет ли это на твою повседневную жизнь? На то, как ты воспринимаешь собственное существование и работу учёного? Ведь можно отступить на шаг и задуматься: в большинстве разумных экстраполяций в будущее нигде не останется ни следа, ни единого бита информации о том, что ты когда-то существовала.

Кэти Мак: Да, я много об этом думаю. Когда я беру интервью для книги, то задаю всем один вопрос: что вы чувствуете, думая о конце Вселенной? Как это влияет на вашу жизнь, на вашу философию? Ответы очень разные. Кого-то это глубоко угнетает. Кому-то тепловая смерть кажется ужасно скучной, и они отчаянно ищут другой вариант. Кто-то совершенно спокоен: дзен, жизнь настоящим, и прекрасно, что ничто не длится вечно. Лично меня немного тревожит мысль, что мы не оставим никакого наследия. Мне трудно думать об этом без грусти. Но я постоянно витаю в этих облаках - хотя не в смысле чего-то несущественного. Я размышляю о настоящей физике, о реальной Вселенной. Это далеко от меня, но не выдумка. И в некотором смысле такой взгляд утешает, когда я думаю о своих маленьких проблемах в своей маленькой жизни. Вселенная закончится. Так ли уж всё это важно?

ведущий: Возможно, ещё до крайнего срока подачи заявки на грант.

Кэти Мак: Да. Это помогает увидеть некоторые вещи в перспективе. Даже мысль о том, что в конечном счёте от нас ничего не останется. Недавно я пережила утрату в семье. Пока я горевала, я думала о том, что её больше нет, и мне было очень грустно. Но одновременно я думала: «Когда-нибудь уйдём мы все. Даже вся Вселенная закончится. Важно как можно полнее прожить то время, которое нам дано». Пока моя бабушка была жива, мы проводили вместе хорошее, настоящее время. Теперь её нет. С Вселенной похоже: сейчас мы можем хорошо провести время вместе с ней, а когда-нибудь она исчезнет. Но это не делает всё бессмысленным. Даже если она исчезнет, в том, что она была, что были мы, что мы, мыслящие существа, сумели кое-что понять, всё равно есть смысл. По-моему, это по-прежнему важно и значимо.

ведущий: Даже не представляю, что к этому можно добавить. Кэти Мак, огромное спасибо за участие в подкасте.