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

Я не могу сказать, что космическая эсхатология наконец получила должный уровень признания как академическая дисциплина. В научной литературе по-прежнему очень редко встречаются статьи, в которых наша возможная судьба исследовалась бы с той же строгостью и глубиной, что и наше происхождение. Тем не менее, изучение обоих концов временной шкалы помогает нам по-разному исследовать принципы, лежащие в основе наших физических теорий. Помимо понимания нашего будущего или прошлого, они могут помочь нам осознать фундаментальную природу самой реальности.

«Размышления о конце Вселенной, так же как и о ее начале, позволяют вам лучше понимать происходящее в настоящий момент и проводить более точную экстраполяцию. Я считаю, что экстраполяция играет огромную роль в области фундаментальной физики», – заявила Хиранья Пейрис, космолог из университетского колледжа Лондона. В 2003 году она возглавила одну из команд, занимавшуюся интерпретацией первой детальной карты реликтового излучения, полученной с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP). С тех пор Пейрис продолжает работу на переднем крае наблюдательной космологии. В последние годы она подумывает об использовании данных наблюдений, симуляций и настольных моделей для проверки некоторых ключевых аспектов физики ранней и поздней Вселенной, таких как возникновение «пузырьковых Вселенных» на стадии космической инфляции и механика распада вакуума. При изучении всех этих вопросов она руководствуется одной и той же мотивацией. «Я считаю, что этот период требует всестороннего осмысления. Пока неясно, как то, что мы делаем сейчас, соотносится с этими периодами, но я думаю, что выполнение такой работы позволит нам кое-что узнать о фундаментальной теории».

Нам, безусловно, предстоит многому научиться. В настоящее время космология и физика элементарных частиц находятся в неловком положении, поскольку обе области в некотором смысле являются жертвами собственного успеха. Каждое направление предусматривает точное и всестороннее описание мира, которое очень хорошо работает в том смысле, что до сих пор нам не удалось найти ничего, что бы ему противоречило. Однако недостаток в том, что мы понятия не имеем, почему эти описания работают.

В настоящее время в космологии царит парадигма под названием «модель соответствия», или «модель Лямбда-CDM». Согласно ей, Вселенная состоит из четырех основных компонентов: излучения, обычной материи, темной материи (в частности, «холодной» темной материи, CDM (Cold Dark Matter)) и темной энергии в форме космологической постоянной (обозначаемой в уравнениях греческой буквой лямбда, Л). Количества всех этих компонентов точно измерены, и в настоящее время на космологическую постоянную приходится самый большой кусок космического пирога. Мы хорошо понимаем, как их соотношение менялось по мере расширения Вселенной, и у нас есть подробное описание самых ранних этапов, включая период очень быстрого расширения, называемого инфляцией. Кроме того, у нас есть проверенная теория гравитации – эйнштейновская общая теория относительности, которая в модели Лямбда-CDM считается абсолютно правильной. Учитывая, что космологическая постоянная в настоящее время играет важнейшую роль в эволюции космоса, в рамках этой парадигмы мы можем использовать наше понимание гравитации и компонентов Вселенной для предсказания будущего нашего космоса. И это неминуемо подводит нас к выводу о том, что в далеком будущем Вселенной грозит тепловая смерть.

Проблема модели соответствия заключается в абсолютной загадочности наиболее важных ее элементов – темной материи, космологической постоянной и инфляции. Мы не знаем, что такое темная материя; мы не знаем, как произошла инфляция (и действительно ли она имела место); мы не можем объяснить существование космологической постоянной и того, почему она имеет значение, противоречащее физике элементарных частиц. В то же время мы не нашли в данных ничего, что опровергало бы эту модель. У нас нет доказательств, что темная энергия каким-либо образом эволюционирует (это шло бы вразрез с космологической постоянной), ничто не говорит о том, что темную материю можно обнаружить экспериментально (правда, доказательств обратного тоже нет), и за 100 лет в ходе множества экспериментов мы ни разу не видели, чтобы поведение гравитации противоречило общей теории относительности Эйнштейна.

Эндрю Понцен, коллега и соавтор Пейрис (и мой бывший сосед по офису в Кембридже), исследует теоретические аспекты темной материи и уже представил ряд новаторских решений для объяснения формы, которую принимает темная материя в галактиках. По его словам, мы довольно хорошо разбираемся в космологии в том смысле, что наши данные вполне соответствуют модели, включающей темную материю и темную энергию, и, скорее всего, в будущем это не изменится. Нам известно количество и поведение каждого компонента Вселенной. С другой стороны, мы не знаем, как связать темную материю или темную энергию, на которые приходится 95 % массы Вселенной, с фундаментальной физикой. «В этом смысле мы вообще ничего не понимаем», – заявил он.

Между тем, в области физики элементарных частиц дела обстоят не менее удручающе. Еще в 1970-х годах ученые разработали Стандартную модель физики элементарных частиц для описания всех известных частиц: кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, лептонов, к которым относятся нейтрино, электрон и их сородичи, и так называемых калибровочных бозонов, переносчиков фундаментальных взаимодействий (электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия). Несмотря на некоторые незначительные корректировки, такие как превращение нейтрино из абсолютно безмассовой в очень легкую частицу, Стандартная модель оказалась фантастически успешной и с блеском выдержала все экспериментальные испытания. Она даже позволила предсказать существование бозона Хиггса, недостающей части головоломки. За прошедшие годы в ходе экспериментов с частицами мы не обнаружили ничего, что не предсказано Стандартной моделью.

Можно было бы подумать, что это настоящий триумф. Теория работает! Все происходит так, как мы и предсказывали!

Почему же мы просто не наслаждаемся своими блестящими успехами?

Потому что это в некотором смысле наихудший сценарий. Несмотря на то что Стандартная модель отлично соответствует результатам экспериментов, мы знаем, что в ней, как и в космологической модели Лямбда-CDM, отсутствуют некоторые очень важные компоненты.

Помимо того, что эта модель вообще ничего не говорит о темной материи или темной энергии, ей свойственны так называемые «проблемы тонкой настройки» параметров Вселенной, без которой разумная жизнь не могла бы существовать. В идеале у нас должна быть некая теоретическая основа, объясняющая, почему параметр принял то или иное значение. Когда единственным объяснением является аргумент вроде «в противном случае с нами случится что-то плохое» или, что еще хуже, «так показали измерения», это очень обескураживает.

На протяжении нескольких десятилетий мы надеялись перейти от подтверждения важных аспектов Стандартной модели к поиску границ ее применимости, а затем сделать открытия с использованием модели, пришедшей ей на смену. В 1970-х годах для исправления теоретических недостатков Стандартной модели была предложена модель под названием «суперсимметрия» (сокращенно SUSY), предусматривающая новые математические связи между различными типами частиц и объясняющая странную структуру Стандартной модели и ее параметров. Она также предполагала существование целого ряда новых частиц («суперсимметричных партнеров» для частиц Стандартной модели), которые могли быть получены в результате столкновений чуть более высокой энергии по сравнению с достижимой в коллайдерах того времени. Кроме того, суперсимметрия считалась еще одним шагом в направлении многообещающей теории струн, которая должна была объединить гравитацию и квантовую механику в единое целое.