Черные дыры и молодые вселенные - Хокинг Стивен Уильям (книги бесплатно читать без txt) 📗
Как же получилось, что начальная плотность оказалась так тщательно выбрана? Возможно, существует какая-то причина, по которой Вселенная должна иметь точно критическую плотность. Этому можно найти два объяснения. Одно — это так называемый человеческий принцип; его можно перефразировать следующим образом: Вселенная такова, потому что будь она другой, нас бы тут не было, чтобы ее наблюдать. Идея заключается в том, что могло быть множество вселенных с разными судьбами. И только вселенные с плотностью, очень близкой к критической, смогли просуществовать достаточно долго и содержать достаточно материи для образования звезд и планет. Только в таких вселенных могли появиться разумные существа, чтобы задаться вопросом: почему это плотность Вселенной так близка к критической? Если это объяснение, то нет смысла полагать, что материи во Вселенной больше, чем мы уже обнаружили. Чтобы образовались галактики и звезды, хватило бы и десятой части критической плотности. Однако многим не нравится человеческий принцип, поскольку он, похоже, придает слишком большую важность нашему собственному существованию. Поэтому они искали какое-то другое объяснение тому, почему плотность должна быть так близка к критической. Эти поиски привели к теории инфляции в ранней Вселенной. Идея заключалась в том, что размеры Вселенной постоянно удваивались, как каждый месяц удваиваются цены в странах с высокой инфляцией. Однако инфляция Вселенной была гораздо быстрее и выше: увеличение с коэффициентом по меньшей мере миллиард миллиардов миллиардов при крохотной инфляции привело бы Вселенную настолько близко к критической плотности, что последняя и сейчас была бы близка к критической. Это означает, что Вселенная, вероятно, в конце концов опять сожмется, но на это ей понадобится не намного больше времени, чем те примерно пятнадцать миллиардов лет, в течение которых она расширяется.
Чем может стать дополнительная темная материя, если теория инфляции верна? По-видимому, она отличается от нормальной материи, из которой состоят звезды и планеты. Мы можем рассчитать количество различных легких элементов, произведенных на ранних, горячих этапах развития Вселенной в первые три минуты после Большого Взрыва. Количество этих легких элементов зависит от количества нормальной материи во Вселенной. Можно начертить график, где ординатой будет количество легких элементов, а абсциссой — количество нормальной материи. Получится хорошее соответствие с наблюдаемым содержанием элементов, если полное количество нормальной материи составит примерно лишь одну десятую от критического количества сейчас. Возможно, эти расчеты неверны, но тот факт, что мы получаем наблюдаемое содержание элементов, очень впечатляет.
Если существует критическая плотность темной материи, главным претендентом на то, чтобы быть темной материей, будут остатки от ранних этапов развития Вселенной. Возможно, это элементарные частицы. Есть несколько гипотетических кандидатов — частицы, наличие которых мы предполагаем, но которые в действительности пока не обнаружены. Но самый многообещающий вариант — это частица, о существовании которой есть свидетельства, — нейтрино. Считалось, что она не имеет собственной массы, но некоторые недавние наблюдения предположили, что нейтрино может иметь маленькую массу. Если это подтвердится и будет найдено ее правильное значение, нейтрино обеспечат достаточно массы, чтобы довести плотность Вселенной до критического значения.
Другая возможность — черные дыры. Можно предположить, что ранняя Вселенная испытала так называемый фазовый переход. Примеры фазового перехода — замерзание и закипание воды. При фазовом переходе первоначально однородная среда, вроде воды, порождает аномалии, — в случае с водой это кристаллики льда или пузырьки пара. Эти аномалии могли сжаться, образовав черные дыры. Если бы черные дыры были очень малы, они бы к настоящему времени испарились вследствие принципа неопределенности в квантовой механике, как было описано выше. Но если их масса была больше нескольких миллионов тонн (масса горы), они могут по-прежнему где-то летать, и их очень трудно обнаружить.
Единственный способ обнаружить темную материю, равномерно распределенную по Вселенной, основывался бы на ее влиянии на расширение Вселенной. Насколько тормозится скорость расширения, можно определить, измерив скорость удаления от нас далеких галактик. Дело в том, что, когда свет от этих галактик достигает нас, мы наблюдаем их давнее прошлое. Можно начертить график зависимости скорости галактик от их видимой яркости и величины, что и является мерой их удаленности от нас. Разные линии на этом графике относятся к различным темпам замедления расширения. Изогнутый график относится ко Вселенной, которая сожмется. На первый взгляд, графики говорят о грядущем сжатии. Но беда в том, что видимая яркость галактики — не очень хороший показатель ее удаленности от нас. Существует не только значительный разброс в прирожденной яркости галактик, но есть еще и свидетельства, что их яркость изменяется со временем. Поскольку мы не знаем, в какой степени может измениться яркость, мы не можем сказать, каков темп замедления: то ли он достаточен, чтобы в конце концов Вселенная начала сжиматься, то ли она будет расширяться вечно. Придется подождать, пока мы не разработаем лучшие способы измерения расстояния до галактик. Но можно не сомневаться, что темп замедления не так велик, чтобы Вселенная сжалась в ближайшие миллиарды лет.
Ни вечное расширение, ни сжатие через сто миллиардов лет не являются такой уж интересной перспективой. Нет ли чего-нибудь такого, что сделало бы будущее более интересным? Одним из несомненно интересных путей была бы возможность попасть в черную дыру. Это должна быть довольно большая черная дыра, по массе более чем в миллион раз превышающая Солнце. Но есть шанс, что в центре Галактики есть черная дыра таких размеров.
Мы не знаем точно, что происходит внутри черной дыры. Для уравнений общей теории относительности существуют решения, позволяющие упасть в черную дыру и выйти где-нибудь в другом месте из белой дыры. Белая дыра — это пущенная вспять черная дыра. Это объект, из которого можно выйти, но в который нельзя попасть. Белая дыра могла бы быть где-то в другой части Вселенной. Похоже, это дало бы нам возможность для быстрых межгалактических путешествий. Беда в том, что эти путешествия могут оказаться слишком быстрыми. Если бы путешествие через черные дыры было возможно, то, похоже, ничто не помешало бы вам вернуться назад еще до того, как вы оттуда отбыли. Тогда вы можете совершить что-нибудь вроде убийства своей матери, что помешает вам занять начальную позицию.
Возможно, к счастью для нашего выживания (и для жизни наших матерей), физические законы не позволяют таких путешествий во времени. Похоже, существует какое-то Агентство защиты хронологии, не пускающее путешественников в прошлое и тем самым делающее мир безопасным для историков. Вот что может произойти, если кто-то проникнет в прошлое: под действием принципа неопределенности это произведет большое количество излучения; полученное излучение или так искривит пространство-время, что будет невозможно вернуться во времени, или пространство-время закончится в сингулярности наподобие Большого Взрыва или Большого Сжатия. В любом случае наше прошлое будет защищено от злоумышленников. Гипотеза о защите хронологии поддерживается некоторыми недавними расчетами, проделанными мною и другими людьми. Но лучшим свидетельством того, что путешествия во времени невозможны и никогда не будут возможны, является тот факт, что к нам не вторгаются орды туристов из будущего.
Подведем итог: ученые верят, что Вселенной управляют четкие законы, в принципе позволяющие предсказывать будущее. Но движение, данное законами, часто хаотично. Из этого следует, что малейшее изменение начальной ситуации может привести к изменению в последующем поведении, и эти изменения быстро разрастаются. Поэтому на практике зачастую можно точно предсказать будущее только на короткое время. Однако поведение Вселенной в очень большом масштабе представляется простым и нехаотичным. Поэтому можно предсказать, будет ли она расширяться вечно или в конце концов начнет сжиматься. Это зависит от сегодняшней плотности Вселенной. На самом деле ее нынешняя плотность кажется очень близкой к критической, которая разделяет сжатие и вечное расширение. Если теория инфляции верна, Вселенная действительно находится на лезвии бритвы. Так что я, продолжая добрую традицию оракулов и пророков страховаться, предсказываю оба варианта.
