С тех пор, как мы выяснили, что (1) Вселенная началась с Большого взрыва и (2) в настоящее время она расширяется, нас интересует вопрос, может ли этот процесс обратиться вспять и закончиться катастрофическим Большим сжатием. Исходя из некоторых очень простых и разумных предположений, мы можем выделить всего три варианта развития событий для расширяющейся Вселенной, и все они являются прямыми аналогами того, что может случиться с мячом, подброшенным в воздух.

Представьте, что вы выходите на улицу на планете Земля и подбрасываете бейсбольный мяч прямо вверх. У вас нечеловечески сильная рука, а сопротивление воздуха не имеет значения. Что произойдет?

В обычном случае в течение некоторого времени мяч поднимается вверх, повинуясь заданному вами первичному импульсу, однако, покинув вашу руку, он сразу начинает замедляться под воздействием силы земного притяжения. В конце концов, он остановится и начнет двигаться к вам и планете, на которой вы стоите. Но если бы вам удалось бросить мяч невероятно быстро – со скоростью 11,2 км/с (вторая космическая скорость или скорость убегания), вы могли бы придать мячу достаточный импульс для того, чтобы он покинул Землю и остановился лишь в бесконечно далеком будущем после длительного постепенного замедления (или при столкновении с каким-либо объектом). Если бы вы бросили мяч еще быстрее, он мог бы двигаться вечно, не испытывая никакого гравитационного воздействия со стороны Земли.

Физика расширяющейся Вселенной основана на очень похожих принципах. Есть первоначальный импульс (Большой взрыв), который запустил процесс расширения, и с этого момента гравитация всех объектов во Вселенной (галактик, звезд, черных дыр и т. д.) работает против этого расширения, пытаясь замедлить его и снова собрать все воедино. Гравитация представляет собой очень слабую силу – самую слабую из всех сил природы, однако она действует на любом расстоянии, поэтому даже отдаленные галактики должны притягиваться друг к другу. Как и в примере с бейсбольным мячом, вопрос сводится к тому, был ли первоначальный импульс достаточно сильным, чтобы преодолеть всю эту гравитацию. Нам даже не нужно знать, каким именно был этот импульс; если мы измерим текущую скорость расширения, а также количество вещества во Вселенной, мы выясним, достаточно ли гравитации для остановки процесса расширения. Кроме того, если мы выясним скорость расширения в далеком прошлом, то сможем понять, как развивается этот процесс с течением времени, сравнив полученное значение с текущей скоростью расширения.

Если бы наша Вселенная была обречена на Большое сжатие, то намек на это мы могли бы обнаружить с помощью именно такой экстраполяции. Еще до начала самого процесса мы заметили бы, что в прошлом расширение происходило быстрее и с тех пор замедлилось. Со временем мы выявляли бы все более красноречивые признаки надвигающегося коллапса – еще за много миллиардов лет до его официального начала.

Однако, прежде чем приступить к анализу данных, давайте остановимся и поговорим о том, как может выглядеть переход на стадию сжатия Вселенной и дальнейший апокалипсис. В конце концов, именно для этого вы и взяли в руки данную книгу.

В настоящий момент чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он удаляется и, следовательно, тем больше его красное смещение (закон Хаббла – Леметра). В обреченной на сжатие Вселенной эта закономерность будет сохраняться вплоть до полного прекращения процесса расширения. Однако поскольку конечная скорость света не позволяет нам видеть всю Вселенную одновременно, отдаленные объекты, которые уже начали двигаться в обратную сторону, еще долго будут казаться нам удаляющимися. Несмотря на то что в некотором глобальном смысле самые отдаленные объекты несутся к нам быстрее, чем близлежащие, поначалу мы будем наблюдать противоположное явление. Нам станет казаться, что галактики, находящиеся в близлежащем участке космоса, медленно движутся в нашу сторону. Как и в случае с галактикой Андромеды, их спектр будет иметь синее смещение. Объекты, расположенные за ними, покажутся неподвижными, в то время как более отдаленные объекты будут иметь красное смещение и выглядеть удаляющимися от нас. Со временем скорость приближения соседних галактик увеличится, как и радиус области, содержащей объекты, кажущиеся нам неподвижными. Вскоре мы перестанем беспокоиться о том, что происходит с удаленными объектами, поскольку стремительное вторжение соседних галактик в нашу область космоса будет невозможно или, по крайней мере, крайне нежелательно, игнорировать.

Слегка успокаивает тот факт, что к тому моменту мы уже получим некоторый опыт переживания подобных событий: согласно этому сценарию, первые признаки предстоящего коллапса появятся спустя довольно много времени после нашего столкновения с Андромедой. Даже по самым пессимистичным оценкам, до начала процесса Большого сжатия может пройти много миллиардов лет, – наша Вселенная существует уже на протяжении 13,8 миллиарда лет, и с точки зрения вероятности будущего коллапса она едва ли достигла среднего возраста.

Как мы уже говорили, столкновение Млечного Пути с галактикой Андромеды вряд ли напрямую затронет Солнечную систему. Однако вселенский коллапс – это совсем другая история. Поначалу он может выглядеть похожим образом: галактики сталкиваются и сливаются, загораются новые звезды, возникают черные дыры, некоторые звездные системы вылетают в далекий космос. Однако со временем будет появляться все больше зловещих признаков того, что вокруг творится нечто совсем иное.

По мере учащения случаев сближения и слияния галактики станут взрываться синим светом новых звезд, а гигантские струи частиц и радиации – пронзать межгалактические облака газа. Наряду с этими новыми звездами могут возникнуть новые планеты, и на некоторых из них, возможно, успеет развиться жизнь, которая, тем не менее, скорее всего, будет уничтожена одним из взрывов сверхновой, все чаще происходящих в этой хаотической, коллапсирующей Вселенной. Гравитационные взаимодействия между галактиками и находящимися в их центрах сверхмассивными черными дырами будут становиться все более яростными, из-за чего звезды начнут выбрасываться из них и в итоге попадать под действие гравитации других галактик. Но даже на этом этапе столкновения отдельных звезд по-прежнему будут случаться относительно редко, и так продолжится вплоть до самого конца игры. Гибель звезд произойдет по-другому, гарантируя уничтожение любой жизни, которая на тот момент все еще будет существовать на планетах.

Вот как это случится.

Расширение Вселенной в том виде, в каком оно происходит сегодня, растягивает не только световые волны от далеких галактик. Оно также растягивает и разбавляет послесвечение самого Большого взрыва. Одним из самых убедительных доказательств теории Большого взрыва, о котором говорилось в предыдущей главе, является тот факт, что мы можем увидеть его, просто заглянув достаточно далеко. При этом мы видим идущее со всех сторон тусклое свечение, оставшееся с младенчества Вселенной. Глядя на это свечение, мы, по сути, смотрим непосредственно на те части Вселенной, которые находятся так далеко, что, с нашей точки зрения, они по-прежнему охвачены огнем, то есть находятся на ранней стадии существования Вселенной, когда каждая часть космоса была заполнена горячей, плотной и непрозрачной плазмой, как внутри звезды. Свет от этого давно потухшего пламени шел к нам из достаточно отдаленных мест все это время и достиг нас только сейчас.

Причина, по которой мы воспринимаем реликтовое излучение как рассеянное низкоэнергетическое свечение, заключается в том, что из-за расширения Вселенной отдельные фотоны растянулись до такой степени, что превратились в слабые помехи. А тот факт, что они проявляются в виде микроволн, обусловлен чрезмерным красным смещением. Расширение Вселенной способно на многое, в том числе на превращение адского пекла в слабый микроволновый фон, проявляющийся в виде небольших помех на экране старомодного аналогового телевизора.

Если процесс расширения Вселенной повернется вспять, то же самое произойдет и с распространением радиации. Внезапно космический микроволновый фон, это безобидное низкоэнергетическое свечение, приобретет синее смещение, и его энергия и интенсивность начнут быстро возрастать, приближаясь к весьма некомфортным значениям.

Но и это еще не приведет к гибели звезд.

Помимо концентрирования послесвечения охваченного огнем пространства существует нечто, способное породить гораздо более высокоэнергетическое излучение. На протяжении всего существования Вселенной гравитация превращала первичную и довольно однородную смесь газа и плазмы в звезды и черные дыры. Эти звезды сияли в течение миллиардов лет, наполняя пустоту своим излучением, которое рассеивалось, но никуда не исчезало. Черные дыры тоже делают свой вклад, испуская рентгеновские лучи, когда падающее в них вещество нагревается и порождает высокоэнергетические струи частиц. Излучение, испускаемое звездами и черными дырами, даже горячее, чем то, которое было характерно для заключительных этапов Большого взрыва, и в процессе сжатия Вселенной вся эта энергия тоже будет сгущаться. Таким образом, коллапс Вселенной представляет собой не стадию симметричного процесса, включающего этап расширения и охлаждения, за которым следуют сжатие и нагрев, а нечто гораздо худшее. Если вас когда-либо спросят, где вы хотите оказаться – в произвольной точке пространства сразу после Большого взрыва или непосредственно перед Большим сжатием, выбирайте первое. Совокупное излучение от звезд и струй высокоэнергетических частиц, сгущающееся и смещающееся в сторону еще более высоких энергий, станет настолько интенсивным, что начнет поджигать поверхности звезд задолго до того, как они столкнутся друг с другом. Ядерные взрывы будут раздирать звезды на части, заполняя пространство горячей плазмой.

К этому времени дела будут уже по-настоящему плохи. Ни одна планета, просуществовавшая до тех пор, не сможет пережить взрыв самих звезд. С этого момента интенсивность излучения во Вселенной начнет приближаться к уровню, сопоставимому с тем, который характерен для центральных областей активных ядер галактик, где находятся сверхмассивные черные дыры, выбрасывающие струи высокоэнергетических частиц и гамма-излучения с такой силой, что их длина достигает тысяч световых лет. Что происходит с материей в такой среде после того, как она распадается на составляющие ее частицы, неизвестно. Коллапсирующая Вселенная на последних стадиях сжатия достигнет значений плотности и температуры, которые значительно превышают те, что мы можем воспроизвести в лаборатории или описать с помощью известных нам теорий частиц. На данном этапе главный вопрос будет заключаться не в том, выживет ли что-нибудь, поскольку к этому моменту очевидным ответом будет однозначное «нет», а в том, сможет ли коллапсирующая Вселенная породить новую?

Идея циклической Вселенной, в которой бесконечно чередуются этапы расширения и сжатия, обладает определенной привлекательностью. (И мы рассмотрим ее более подробно в главе 7.) Вместо того чтобы начинаться с нуля и заканчиваться катастрофой, циклическая Вселенная в принципе может существовать сколь угодно долго, обеспечивая бесконечную переработку материи и не допуская никаких потерь.

Разумеется, в реальности, как обычно, все значительно сложнее. Исходя из теории гравитации Эйнштейна, общей теории относительности, любая Вселенная, содержащая достаточное количество вещества, имеет заданную траекторию. Она начинается с сингулярности (бесконечно плотного состояния пространства-времени) и заканчивается сингулярностью. Однако общая теория относительности не предусматривает механизма перехода от конечной сингулярности к начальной. И есть основания полагать, что ни одна из наших физических теорий не позволяет описать условия, для которых была бы характерна такая плотность. Мы довольно хорошо понимаем, как гравитация работает в больших масштабах и для относительно слабых гравитационных полей, однако мы не знаем, как она ведет себя в чрезвычайно малых масштабах. И показатели напряженности поля, с которыми нам предстоит иметь дело, когда вся наблюдаемая Вселенная сожмется в субатомную точку, абсолютно невычисляемы. Мы можем предположить, что в данной конкретной ситуации как-то проявит себя квантовая механика, но, честно говоря, мы не знаем, как именно.

Другая проблема модели циклической Вселенной связана с вопросом, может ли что-либо выжить при переходе из одного цикла в другой. Упомянутая мной ранее асимметрия между расширяющейся молодой и коллапсирующей старой Вселенной в плане поля излучения является весьма проблематичной, поскольку подразумевает, что с каждым циклом Вселенная становится все более беспорядочной (в физическом смысле). Поэтому циклическая Вселенная гораздо менее привлекательна с точки зрения некоторых очень важных физических принципов, обсуждаемых в следующих главах, и она, безусловно, намного сложнее вписывается в аккуратную схему бесконечной переработки.