Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Уже в течение некоторого времени необъяснимая слабость гравитации подталкивает физиков к аналогичному выводу. Возможно, с силой гравитации все в порядке. Может быть, что-то не так со Вселенной, которая заставляет гравитацию казаться слабее, чем она есть.

Почему гравитация кажется более слабой? Ответ на этот вопрос может быть на удивление тривиальным. Она утекает. В другое измерение.

Вот как это работает. Как вам, вероятно, известно, обычно считается, что Вселенная имеет три пространственных измерения (восток-запад, север-юг, верх-низ). В теории относительности дополнительным измерением является время, и мы говорим о положении в четырехмерном пространстве-времени (то есть о позиции в пространстве и о некотором моменте временного континуума). В сценарии с большими дополнительными измерениями существует еще одно или несколько измерений, к которым мы не имеем доступа. Вся пространственная часть нашего пространства-времени ограничена трехмерной «браной» (от слова «мембрана»), а дополнительное пространство выходит за ее пределы в каком-то новом направлении или направлениях, которые наш ограниченный человеческий мозг может осмыслить лишь математически. Стоит заметить, что слово «большие» во фразе «большие дополнительные измерения» может ввести в заблуждение. Как правило, считается, что если наша Вселенная действительно имеет дополнительные измерения, она может быть фактически бесконечной в наших обычных трех измерениях, но расширяться в новых направлениях не более чем на миллиметр. (Представьте большой лист очень тонкой бумаги. Технически он представляет собой трехмерный объект, хотя два его измерения намного больше третьего.) Однако специалисту в области физики элементарных частиц, привыкшему измерять расстояния, сопоставимые с размерами атомов, миллиметры могут показаться милями. Дополнительное пространство, выходящее за пределы нашей браны, называется «балк».

В этом сценарии физика элементарных частиц и гравитация по-прежнему принципиально отличаются друг от друга, но не из-за присущей им силы. Разница заключается в том, что такие фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, как электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия, проявляются лишь в пределах браны. Для них более обширный, многомерный балк просто не существует. Гравитация не столь ограничена. Она действует непосредственно на пространство-время, которое включает в себя и пространство-время, находящееся за пределами нашей трехмерной браны. Таким образом, гравитация, создаваемая массивным объектом в нашем пространстве, теряет небольшую часть своей силы, утекая в балк, подобно чернильной кляксе, бледнеющей по мере просачивания сквозь лист бумаги. Тот факт, что эти новые измерения настолько малы по сравнению с нашими обычными измерениями, означает, что утечка будет практически не заметна, пока вы не измерите гравитационное воздействие объектов на миллиметровых расстояниях, что крайне сложно. В конце концов, когда вы находитесь рядом с объектом и отступаете от него на миллиметр, вы обычно не замечаете, насколько уменьшилось его гравитационное воздействие на вас.

Когда вы поймете, как проводить измерения в миллиметровых масштабах, вы сможете проверить, соответствует ли наблюдаемое уменьшение силы тяжести тому, которое предсказывают стандартные уравнения. А теперь вернемся к аналогии с чернилами. Если вы выльете на лист бумаги литр чернил, вы не заметите каких-либо потерь. Однако если вы будете капать по капле, то увидите, что часть чернил исчезает по мере впитывания в волокна бумаги. Если ширина дополнительных измерений не превышает миллиметра, а вы можете зафиксировать изменение силы тяжести даже в таких масштабах, то величина гравитации, утекающей в балк, будет сопоставима с той величиной, которую вы пытаетесь измерить. При этом вы заметите, что сила тяжести уменьшается быстрее по сравнению с предсказанием общей теории относительности для «непротекающего» пространства. В этом случае вы сразу поймете, что что-то не так.

До сих пор мы так и не достигли консенсуса в объяснении слабости гравитации и не нашли каких-либо убедительных доказательств ее утечки, несмотря на растущую точность измерений силы тяжести в очень малых масштабах. Какой бы привлекательной с теоретической точки зрения ни казалась идея о дополнительных измерениях, их существование по-прежнему остается лишь интригующей возможностью, а не доказанным свойством нашего космоса. Кроме того, от их изначального обоснования практически ничего не осталось, – почти все наиболее убедительные теории, объясняющие слабость гравитации через ее утечку, были исключены, поскольку предсказывали изменения такой величины, которую мы уже должны были заметить. Тем не менее, мы продолжаем поиски, потому что, если дополнительные измерения действительно существуют, они позволят совершенно иначе взглянуть на гравитацию и Вселенную. Если вся наша Вселенная находится на бране, содержащейся в многомерном пространстве-времени, есть вероятность того, что существуют другие Вселенные, например на соседних бранах, которые могут влиять на нашу своей гравитацией. Более того, на основе взаимодействия между бранами можно сформулировать новый сценарий происхождения нашей Вселенной. И, соответственно, ее гибели.

Знакомьтесь: экпиротическая Вселенная.

Впервые я узнала об экпиротическом сценарии зарождения (и смерти) Вселенной на очень интересной лекции по физике в Кембриджском университете от одного из создателей данной модели, Нила Турока. Во второй раз я наткнулась на нее в научно-фантастическом рассказе об инопланетянах. Теоретические конструкции, разработанные для решения сложных проблем физики ранней Вселенной, нечасто упоминаются в художественной литературе, так что тот случай мне хорошо запомнился. Рассказ Лори Энн Уайт и Кена Уортона Mixed Signals («Смешанные сигналы») повествует о серии странных событий, связанных, как в итоге выяснилось, с гравитационными волнами. В частности, с необычайно мощными гравитационными волнами, не похожими на те, которые обычно возникают в результате столкновения черных дыр или нейтронных звезд. В конце концов, главные герои догадываются о том, что эти волны являются сигналами от разумных существ, посылаемыми через многомерный балк из другой браны. Авторы даже упоминают название экпиротической модели и объясняют, что, согласно этой теории, наша Вселенная представляет собой лишь одну из нескольких трехмерных бран, существующих в многомерном пространстве, в котором может распространяться только гравитация. И если гравитация способна распространяться через балк, то гравитационные волны могут представлять собой отличный механизм межбранной связи.

Хотя возможность существования других цивилизаций на соседних бранах не была технически исключена, главная цель этой гипотезы состояла в объяснении механизма происхождения и разрушения нашей Вселенной. Вскоре после той лекции и чтения научно-фантастического рассказа я приступила к написанию своей докторской диссертации по физике ранней Вселенной совместно с Полом Стейнхардтом, который вместе с Нилом Туроком работал над экпиротической моделью. Несмотря на то что меня больше интересовали другие теории происхождения нашего космоса, экпиротический сценарий то и дело всплывал в ходе групповых встреч и обсуждений. (Правда, инопланетяне почему-то так и не появились.)