Глава 4. Тепловая смерть
ВАЛЕНТАЙН: Теплота смешалась с… миром.
(Он обводит рукой комнату – воздух, космос, Вселенную.)
ТОМАСИНА: Так мы будем танцевать? Надо спешить!
Том Стоппард, «Аркадия» (пер. О. Варшавер)
Одно из моих самых ранних воспоминаний, связанных с астрономией, – это статья из журнала Discover 1995 года, в которой говорилось о «кризисе в космосе». В данных обнаружилось нечто невообразимое, – судя по ним, Вселенная была моложе существующих в ней звезд.
Все тщательные расчеты, основанные на экстраполяции текущего расширения вплоть до Большого взрыва, говорили о том, что возраст Вселенной составляет от 10 до 12 миллиардов лет, тогда как возраст самых старых звезд в соседних древних скоплениях, согласно результатам вычислений, составляет около 15 миллиардов лет. Разумеется, оценка возраста звезд не всегда позволяет получить точный результат, поэтому есть вероятность, что после сбора дополнительных данных звезды окажутся на один или два миллиарда лет моложе, чем выглядят. Однако увеличение возраста Вселенной с целью решения этой проблемы породило бы еще большую путаницу. Чтобы сделать Вселенную старше, потребовалось бы отказаться от теории космической инфляции – одного из важнейших прорывов в исследовании ранней Вселенной со времен открытия самого Большого взрыва.
Астрономам потребовалось три года, чтобы проанализировать данные, пересмотреть теории и разработать совершенно новые способы измерения, прежде чем им удалось найти решение, не «разрушающее» раннюю Вселенную. Правда, оно разрушило все остальное. Полученный ответ породил новый вид физики, вплетенный в саму ткань космоса, который полностью изменил наш взгляд на Вселенную и заставил пересмотреть ее будущее.
Создание карты грозного неба
Ученые, которые в конце 1990-х решили проблему возраста Вселенной, не стремились революционизировать физику. Они всего лишь пытались ответить на, казалось бы, простой вопрос: насколько быстро замедляется процесс расширения Вселенной? На тот момент было общеизвестно, что расширение космоса инициировано Большим взрывом, и с тех пор оно замедляется под воздействием гравитации всех содержащихся во Вселенной объектов. Измерение так называемого параметра замедления должно было помочь выяснить соотношение между направленным вовне импульсом от Большого взрыва и направленной внутрь силой тяготения всех компонентов Вселенной. Чем выше параметр замедления, тем сильнее гравитация тормозит космическое расширение. Высокое значение говорит о том, что Вселенная обречена на Большое сжатие, а низкое – о том, что, несмотря на замедление, процесс расширения никогда полностью не прекратится.
Чтобы измерить параметр замедления, необходимо как-то выяснить скорость расширения Вселенной в прошлом и сравнить с тем, как быстро она расширяется сейчас. К счастью, эта задача вполне решаема благодаря тому, что мы можем непосредственно видеть прошлое, глядя на отдаленные объекты, а также наблюдать за объектами, которые удаляются от нас прямо сейчас. Все, что нам нужно сделать, – это посмотреть на то, что находится рядом, и на то, что расположено очень далеко, определить скорость удаления этих объектов от нас, и произвести небольшие расчеты. Все просто!
На практике, правда, все совсем не просто, поскольку помимо красного смещения необходимо выяснить еще и расстояния до объектов глубокого космоса, измерить которые очень трудно. Однако достаточно знать о том, что это в принципе возможно. К счастью, астрономы обладают обширным и разнообразным инструментарием для проведения подобных измерений, и в данном случае им на помощь приходят катастрофические термоядерные взрывы далеких звезд.
Дело в том, что свойства взрывов некоторых типов сверхновых настолько предсказуемы, что их можно использовать в качестве стандартных измерителей для определения расстояния. Речь идет о гибели белых карликов, до взрыва представляющих собой медленно остывающие звездные остатки, в которые превратится и наше Солнце после того, как преодолеет стадию красного гиганта, уничтожив ближайшие планеты. Когда масса белого карлика достигает критической отметки (за счет поглощения вещества звезды-компаньона или слияния с другим белым карликом)
[36], он взрывается. Этот взрыв называется вспышкой сверхновой типа Ia и имеет характерную кривую блеска и спектр, по которым мы можем довольно уверенно отличить его от других светящихся космических объектов. В принципе, хорошо понимая физику подобного взрыва, мы знаем, насколько ярким он должен выглядеть вблизи, и, учитывая то, каким ярким он нам кажется, мы можем выяснить расстояние, преодоленное светом. (Мы называем такой взрыв «стандартной свечой», поскольку он представляет собой своеобразную лампочку, мощность которой нам точно известна. На основании этой информации мы можем определить, где находится данная лампочка, учитывая то, что ее яркость обратно пропорциональна квадрату расстояния. Только мы говорим «свеча», а не «лампочка», поскольку это звучит более поэтично.)
После выяснения расстояния до сверхновой необходимо определить скорость ее удаления. Для этого можно использовать красное смещение в спектре галактики, в которой взорвалась звезда, говорящее о том, насколько быстро в этой точке происходит космическое расширение. Используйте полученное расстояние и скорость света, чтобы выяснить, как давно все это произошло, и вы получите значение скорости расширения в прошлом.
В 1998 году, всего через несколько лет после публикации в журнале Discover статьи о возрасте космоса, две независимые исследовательские группы, наблюдавшие за далекими сверхновыми, пришли к одинаковому и совершенно невероятному выводу о том, что параметр замедления процесса расширения Вселенной является отрицательным. Из этого следует, что процесс расширения не замедляется, а ускоряется.
Геометрия космоса
Если бы космос вел себя хорошо, описать базовую физику расширения Вселенной было бы так же легко, как и процесс подбрасывания мяча, рассмотренный в предыдущей главе. Если бросить мяч слишком медленно, он поднимется в воздух, остановится и упадет. Этот вариант соответствует Вселенной, которая содержит достаточное количество вещества (или отличается относительно слабым начальным импульсом Большого взрыва) для того, чтобы гравитация победила и обеспечила сжатие пространства. Если бросить мяч нечеловечески быстро, он может преодолеть силу земного притяжения и отправиться в бесконечное путешествие по космосу с постоянно замедляющейся скоростью. Этот вариант соответствует Вселенной, в которой наблюдается идеальный баланс между расширением и гравитацией. Если бросить мяч еще быстрее, его скорость будет приближаться к некой постоянной величине по мере уменьшения влияния земного притяжения. Этот вариант соответствует Вселенной, которая расширяется вечно, поскольку количество содержащегося в ней вещества недостаточно для того, чтобы повернуть процесс расширения вспять и даже просто его замедлить.
