Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре
Ни в одной области науки, кроме космологии, нет такого количества произвольных и заведомо ошибочных теорий, сосуществующих во времени с правильной теорией.
Академик Я. Б. Зельдович
Происхождение Вселенной всегда волновало людей. Диалектик и мизантроп Гераклит Эфесский (VI — V века до н. э.) считал наш мир вечным и пульсирующим: «Этот космос, один и тот же для всех, не создал никто из богов, никто из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живой огонь, мерно возгорающийся, мерно угасающий» (в изложении Алекса Климента). Блаженный Августин (354 — 430), наоборот, учил, что божественная воля создала не только Вселенную, но и само время. Гипотеза о недавнем сотворении мира лучше согласуется с религией: вечная Вселенная, работающая как часы, слишком самостоятельна — ей не нужен «никто из богов». Спор о вечности и одноразовости Вселенной продолжается до сих пор...
В 1915 году Альберт Эйнштейн вывел уравнения общей теории относительности, которые описали гравитацию как искривление пространства-времени и стали фундаментом современной космологии. Науки делятся на фундаментальные и прикладные. Например, электродинамика — это фундаментальная наука, описывающая электромагнитное поле посредством уравнений Максвелла. А электротехника — прикладная наука, которая на основе решений этих уравнений создаёт радиоприёмники, телефоны и микроволновки для разогрева пиццы. Теория Эйнштейна и космология соотносятся как электродинамика и электротехника, поэтому только появление фундаментальных уравнений Эйнштейна позволило начать создание конкретных моделей реальной Вселенной.
В 1917 году Эйнштейн построил модель замкнутой Вселенной, для стационарности которой он ввёл в уравнения искусственную антигравитацию — космологическую постоянную. Российский учёный Александр Фридман в знаменитой статье, опубликованной в декабре 1922 года, показал, что решение уравнений Эйнштейна приводит к нестационарной Вселенной, которая может быть как одноразовой, так и периодической. Он даже оценил продолжительность цикла Вселенной: «Будем для периода мира иметь величину порядка 10 миллиардов лет». Работа А. Фридмана, столетний юбилей которой отмечается в декабре 2022 года, стала вехой в развитии космологии. Эти 100 лет прошли в упорной борьбе между сторонниками циклической и одноразовой Вселенной.
В 1934 году космолог Ричард Толмен выдвинул серьёзное возражение против периодической Вселенной: согласно второму закону термодинамики, она обязана бесконечно накапливать энтропию, то есть не может быть строго периодичной.
Наблюдатель Весто Слайфер ещё в 1912—1914 годах доказал, что галактики движутся в разные стороны с большими скоростями. Но в чём причина такого разбегания? Популярная теория одноразовой Вселенной, выдвинутая Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, предполагала, что космос каким-то образом рождает по одному атому водорода в год в объёме «небоскрёба средних размеров», отчего изначально холодная Вселенная бесконечно расползается, как квашня из миски.
Физик Георгий Гамов в 1946 году выдвинул концепцию Большого взрыва. Он полагал, что в начале своего расширения Вселенная была раскалённым облаком из протонов и фотонов. Когда температура этого расширяющегося плазменного облака упала до трёх тысяч градусов, то его свечение стало красным, а электроны соединились с протонами, образовав атомы водорода. Такое газовое облако оказалось прозрачным для фотонов красного света, и они стали расширяться независимо, уменьшая свою температуру с ростом размера Вселенной. Гамов с соавторами оценил современную температуру этого реликтового электромагнитного излучения всего в несколько кельвинов, что близко к тепловому излучению жидкого гелия.
Гамов был сторонником циклической космологии. В книге «Создание Вселенной» (1952) он писал: «Почему наша Вселенная была в таком сильно сжатом состоянии и почему она стала расширяться? Простейший и математически наиболее корректный ответ состоит в том, что Большое сжатие, которое имело место в ранней истории нашей Вселенной, было результатом коллапса, который случился в ещё более раннюю эру, и что нынешнее расширение есть просто “упругий” отскок, который начался, как только максимально возможная плотность была достигнута».
В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон открыли предсказанное Гамовым реликтовое излучение с температурой около трёх кельвинов и в 1978-м получили за это Нобелевскую премию. В астрономии прочно утвердилась концепция горячего Большого взрыва, а циклическая космология стала научным мейнстримом до 80-х годов XX века.
Обсуждалась и модель Вселенной, пульсирующей в чёрной дыре. Айзек Азимов в 1978 году в научно-популярной книге «Коллапсирующая Вселенная» отмечал: «Вполне возможно, что вся Вселенная сама по себе является чёрной дырой (как предположил физик Кип Торн)… Если это так, мы живём в чёрной дыре…»
Грандиозная идея пульсации Вселенной в чёрной дыре изящно соединяла самые эстетичные концепции космологии: в замкнутом стационарном мире Эйнштейна начало биться сердце циклической вселенной Фридмана — Гамова!
Несмотря на успехи космологии периодической Вселенной, она не смогла открыть механизм Большого взрыва и не нашла аргументы против роста энтропии. Циклическая космология не объяснила наблюдаемую однородность Вселенной и не раскрыла природу тёмной материи, которая составляет основную часть массы галактик и заставляет их вращаться быстрее, чем позволяет гравитация звёзд и облаков. Распространилось мнение, что коллапсирующая Вселенная прошлого цикла должна неизбежно сжаться в точку, в сингулярность — и это тоже подрывало доверие к циклической космологии.
Одноразовая квантовая космология
В 1981 году Алан Гус выдвинул одноразовую модель Вселенной, основанную на серии гипотез, например, что Большой взрыв вызван «инфлатоном» — гипотетическим полем антигравитации. Квантовый инфлатон с ускорением расширял крошечную Вселенную (Гус оценивает её размер в 10-54 см), за время от 10-37 до 10-35 сек, увеличивая до метрового размера, а потом исчезал. Колоссальное (на 56 порядков) раздувание сглаживало все флуктуации и объясняло однородность наблюдаемой Вселенной. Надутая до размера большой тыквы, Вселенная далее расширялась уже по инерции, без ускорения. Тёмную материю, составляющую около 90% массы галактик, квантовые космологи объяснили существованием гипотетических слабо взаимодействующих частиц. Инфляционная теория стала популярной, несмотря на базирование на сомнительных фазовых переходах, при которых микроскопическая Вселенная то быстро охлаждалась, то снова нагревалась.
В 1998 году наблюдатели обнаружили современное ускоренное расширение Вселенной, которое хорошо описывается космологической постоянной Эйнштейна. Это открытие стало полной неожиданностью для теоретиков, включая А. Гуса, признавшегося: «Это здорово ошеломило меня» (цитируется по книге: К. Пауэлл «Бог в уравнениях», 2002). Но квантовые космологи быстро оправились и ввели новую сущность: антигравитирующую «тёмную энергию» вакуума. Ускорение Вселенной, казалось, ставит крест на циклической космологии: галактики должны вечно разлетаться в разные стороны, остывать и умирать.
Космологические споры вышли даже за пределы научного сообщества. Классик американской литературы Джон Апдайк (1932—2009) написал рассказ «Ускоряющееся расширение Вселенной», который был опубликован в октябре 2004 года в литературном журнале «Харперс» (Harper’s Magazine), а в апреле 2005 года — в научно-популярном журнале «Физика сегодня» (Physics Today). В рассказе описываются переживания главного героя, который узнал, что Вселенная не циклична и бесконечно разлетается в холодную пустыню: «Вселенная значительно переживёт его — он всегда знал это. Но он каким-то образом полагался на вечность, на её существование, даже если его не приглашали участвовать в ней. Ускоряющееся расширение Вселенной обрекало окружающее пространство на жестокое разобщение и позорную кончину. Вечные гипотетические структуры — Бог, Рай, внутренний нравственный закон — теперь совершенно не имели опоры. Всё растает. Он, не мистик, всегда находил тайное утешение в мысли о вселенском пульсе, чередующемся Большом взрыве и Большом схлопывании, каждый раз переплавляющем материю в невообразимо маленькой печи, в субатомной точке нового начала. Теперь это утешение было у него отнято, и он прочно погрузился в лихорадку отчуждения, едва заметную для окружающих, — депрессию».
Эмоции литературного героя, видимо, отразили негативное отношение Апдайка к одноразовой Вселенной: «Мы летим в никуда верхом на бессмысленном взрыве. Это описывается только невидимой злобной антигравитацией, так называемой Тёмной Силой».
В 2007 году в США запустили телесериал «Теория Большого взрыва» из 279 серий (12 сезонов). Серии начинались песней: «В начале материя была в горячем и уплотнённом состоянии, потом почти четырнадцать миллиардов лет назад началось расширение...»
Пока широкая публика восторженно внимала проповедникам инфляционной космологии, среди специалистов нарастали тревожные сомнения.
Главная проблема квантовой космологии — это прикладная наука, под которой нет фундаментальной теории. Надежды на построение квантовой гравитации, которая бы объяснила инфлатон и тёмную энергию, не оправдались. Расчёты в существующей квантовой теории приводят к антигравитации вакуума на 120 порядков больше наблюдаемого значения (самое плохое теоретическое предсказание в истории физики!). За 40 лет ни одна из гипотез квантовой космологии не была подтверждена. Частицы тёмной материи не получили теоретического обоснования и не найдены в эксперименте, несмотря на многие миллиарды, вложенные в подземные лаборатории и космические обсерватории (многотонная бочка альфаспектрометра для поиска тёмных частиц, установленная на Международной космической станции, одна стоит два миллиарда долларов). Как отмечает физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, «мы создаём гигантское количество новых теорий, и ни одна из них никогда не была подтверждена экспериментально».
Квантовая космология страдает от проблемы начальных значений: для получения современной Вселенной её начальные условия должны быть заданы с точностью 10-79. Если начальные параметры квантовой космологической модели отклоняются на такую величину, то наша Вселенная давно должна или сжаться, или разлететься в холодную пустыню. Это заставило инфляционистов выдумать огромное количество вселенных (фигурируют числа 10500) — для получения хотя бы части миров с приемлемыми условиями для жизни.
Существующая феноменологическая космологическая модель хорошо описывает изотропную и плоскую Вселенную с помощью нескольких параметров, не конкретизируя, имеют ли они квантовую или классическую природу. Главным параметром является постоянная Хаббла — она не должна зависеть от расстояния, на котором её измеряют.
Группа нобелевского лауреата Адама Рисса недавно открыла зависимость постоянной Хаббла от расстояния. Изучение кластеров галактик показывало, что эта постоянная ещё и анизотропна, меняясь на 15% в зависимости от направления наблюдений. Обнаружен целый ряд других анизотропных космологических феноменов, которые выстраиваются вокруг некоторой оси во Вселенной (космологи называют её «дьявольская ось»). Ряд специалистов делают вывод о кризисе современной космологии, которая предполагает однородную и изотропную Вселенную. Данные новейшего космологического спутника «Планк» указывают на кривизну пространства, соответствующую замкнутой Вселенной, что противоречит инфляционной теории, настаивающей на плоской и разомкнутой Вселенной.