Предметом этого эссе является будущее Вселенной или, вернее то, как ученые представляют себе это будущее. Предсказывать сложно, как ни крути. Когда-то я подумывал написать книгу, которая должна была называться так: «Завтра вчерашнего дня. История будущего». Это была бы история различных предсказаний будущего. Надо ли говорить, что почти все предсказатели попали пальцем в небо. Несмотря на все неудавшиеся попытки, ученые по-прежнему считают, что они могут делать прогнозы.

В прежние времена предсказанием будущего занимались оракулы и сивиллы. Это была их работа. Особенно часто на этом поприще подвизались женщины. Они входили в транс с помощью наркотических веществ или надышавшись вулканическими испарениями. Их бессвязные речи интерпретировались затем присутствующими при церемонии священниками. Это было прежде всего искусство интерпретации. Знаменитый Дельфийский оракул в Древней Греции славился своим умением давать двусмысленные предсказания, устраивающие всех. Когда персы напали на Грецию, спартанцы спросили у него, что будет дальше. Он ответил: либо Спарта будет разрушена, либо ее царь будет убит. Скорее всего, священники считали, что если не произойдет ни то и ни другое, благодарность богу Аполлону полностью затмит для спартанцев неверность предсказания оракула. И действительно, царь был убит при защите Фермопильских ворот, того сражения, которое спасло Спарту и в конечном итоге привело к полному разгрому персов.

В другой раз царь Лидии Крез, самый богатый человек в Древнем мире, спросил, что случится, если он вторгнется в Персию. Прозвучал ответ: великое царство падет. Крез подумал, что это предсказание относится к Персидской империи, но пало его собственное царство, а затем он сам предположительно был сожжен на костре.

Современные пророки рискуют даже своими шеями, называя точные даты концов света. Такого рода предсказания частенько вызывают панику на бирже, хотя меня всегда очень удивляет, зачем перед концом света спекулировать акциями. Вряд ли что-то можно забрать с собой на тот свет.

До сих пор все предсказанные даты концов света прошли без особых инцидентов. Но у пророков всегда наготове объяснения их очевидных неудач. К примеру, Уильям Миллер, основатель секты адвентистов седьмого дня, предсказывал, что Второе пришествие произойдет между 21 марта 1843 года и 21 марта 1844 года. Когда ничего не произошло, дата была перенесена на 22 октября 1844 года. Когда же и эта дата благополучно миновала, была выдвинута новая интерпретация. Согласно ей 1844 год был годом начала Второго пришествия, но вначале надо было сосчитать все имена в Книге Судьбы. Только тогда придет Судный день для тех, кого нет в книге. К счастью, подсчеты, по-видимому, предстоят долгие.

Конечно, научные предсказания по надежности вряд ли сильно превосходят предсказания оракулов и пророков. Достаточно вспомнить прогнозы погоды. Но в некоторых ситуациях нам кажется, что наши предсказания могут быть вполне надежны. К таким ситуациям относится и судьба Вселенной.

За последние триста лет мы открыли научные законы, которые обычно управляют веществом во всех нормальных ситуациях. Но мы до сих пор не знаем точных законов, которым подчиняется вещество в экстремальных условиях. Открытые нами законы важны для понимания обстоятельств возникновения Вселенной, но они не затрагивают будущую эволюцию Вселенной, если только она не начнет сжиматься до сверхплотного состояния. По сути, мерой того, насколько мало законы высоких энергий сейчас влияют на Вселенную, является необходимость тратить огромные средства на строительство гигантских ускорителей частиц для проверки этих законов.

Хотя нам кажется, что мы знаем подходящие законы, которым подчиняется Вселенная, вряд ли мы в состоянии пользоваться ими для предсказания будущего. Все дело в том, что в решениях уравнений физики проявляется такое свойство, как хаос. Это означает, что решения могут быть нестабильными: если внести небольшое изменение в систему, то все ее дальнейшее поведение весьма скоро может стать совершенно иным. Например, если вы слегка измените вращение колеса рулетки, цифры окажутся другими. Практически невозможно предсказать, какое число выпадет; в противном случае физики зарабатывали бы бешеные деньги в казино.

В нестабильных и хаотических системах всегда существует шкала времени, на которой небольшое изменение, внесенное в начальное состояние, вырастет в два раза. В земной атмосфере эта шкала времени соответствует примерно пяти дням; в течение этого времени воздушные массы облетают вокруг земного шара. Поэтому можно делать относительно точные прогнозы погоды на пять дней. Но предсказывать погоду на более длительный срок – неблагодарный труд, потому что он требует очень точного знания текущего состояния атмосферы и невероятно сложных вычислений. Не существует способа предсказания погоды на полгода вперед. Можно только привести средние данные сезонных наблюдений за несколько лет.

Мы также знаем основные законы химии и биологии, так что в принципе мы можем понять, как работает мозг. Но уравнения, описывающие деятельность мозга, почти наверняка ведут себя хаотически, в том смысле, что очень маленькое изменение первоначального состояния может привести к совершенно неожиданным результатам. Таким образом, на практике мы не можем предсказать поведение человека, даже если мы знаем уравнения, которые этим поведением управляют. Наука не способна предсказать будущее человеческого общества и имеется ли это будущее вообще. Опасность заключается в том, что силы, имеющиеся в нашем распоряжении, с помощью которых мы можем нанести ущерб окружающей среде или друг другу, умножаются куда быстрее, чем наши мудрость и дальновидность.

Вселенную будет мало заботить любой исход событий на нашей планете. В течение длительного времени движение планет по орбитам вокруг Солнца будет меняться. Это означает, что ошибки в предсказаниях будут становиться грубее с течением времени. Спустя какое-то время станет невозможно предсказывать детали движения. Мы можем быть совершенно уверены, что в обозримом будущем Земля не столкнется с Венерой. Но мы не можем знать наверняка, что небольшие возмущения орбит не приведут к такому столкновению, например, через миллиард лет. Движение Солнца и других звезд вокруг центра Галактики и Галактики в местной группе галактик также не поддается точному прогнозу. Мы наблюдаем, что другие галактики удаляются от нас, и чем дальше, тем быстрее. Это означает, что Вселенная в ближайших окрестностях расширяется: расстояния между разными галактиками со временем растут.

Наблюдения космического фона микроволнового излучения показывают, что это расширение гладкое и не хаотичное. Вы сами можете зафиксировать это излучение, настроив телевизионный приемник на пустой канал. Вы увидите на экране мелькание маленьких штрихов. Это и есть микроволновое излучение, приходящее из-за пределов Солнечной системы. Такое же излучение, только гораздо более сильное, возникает, когда вы включаете микроволновку. Космический микроволновой фон способен разогреть вашу еду всего лишь до 2,7 градуса выше абсолютного нуля, т. е. разогреть заказанную в ресторане пиццу с его помощью не получится. Полагают, что это излучение блуждает во Вселенной с тех пор, как закончилась ее ранняя горячая стадия. Самое удивительное то, что излучение это практически однородно во всех направлениях. Космическая обсерватория COBE[51] очень точно измерила микроволновой фон. На основании измерений фона была составлена карта неба, показывающая, как меняется температура излучения, приходящего с разных направлений. Изменения температуры оказались очень малы: они составляют не более одной стотысячной от некоторой средней величины. Различия в микроволновом фоне на разных направлениях понятны, ведь Вселенная не является совершенно гладкой. Имеются локальные неоднородности: звезды, галактики, скопления галактик. Но эти вариации микроволнового излучения минимальны, они соответствуют незначительным неоднородностям в виде отдельных космических тел, возникших на фоне космической пустоты. Подумать только, 99 тысяч из 100 – именно это число выражает степень однородности микроволнового фона.

В древние времена люди полагали, что Земля находится в центре Вселенной. Они бы не удивились, узнав, что фон везде одинаковый. Усилиями Коперника мы и наш дом были разжалованы до заурядной планетки, вращающейся вокруг весьма средней звезды на краю типичной галактики – одной из сотен миллиардов галактик, которые мы наблюдаем на небе. Наше положение настолько скромно, что мы не можем претендовать на какое-либо особое место во Вселенной. Поэтому нам остается признать, что фон также одинаков в любом направлении рядом с любой галактикой. Это возможно только в том случае, если средняя плотность Вселенной и скорость ее расширения одинаковы везде. Любое отклонение в средней плотности или скорости расширения привело бы к различиям микроволнового фона, наблюдаемого на разных направлениях. Это означает, что в очень больших масштабах поведение Вселенной является достаточно простым и совсем не хаотическим. Следовательно, его можно предсказать на длительный срок вперед.

Так как расширение Вселенной такое однородное, его можно описать с помощью одного параметра, а именно расстояния между двумя галактиками. В настоящее время оно увеличивается, но можно ожидать, что гравитационное притяжение между разными галактиками будет замедлять скорость расширения. Если плотность Вселенной превышает определенную критическую величину, гравитационное притяжение в конце концов остановит расширение и заставит Вселенную снова сжиматься. Вселенная схлопнется с Большим хрустом…[52] Это будет нечто подобное Большому взрыву, с которого началась Вселенная. Большой хруст ознаменует то, что называется сингулярностью, т. е. такое состояние бесконечной плотности, в котором законы физики работать не будут. Даже если произойдут какие-либо события после этого Большого хлопка, предсказать их будет невозможно. Но если отсутствует причинно-следственная связь между событиями, то бессмысленно говорить о том, какое из них произошло раньше. С таким же успехом можно сказать, что наша Вселенная закончит свое существование при Большом хлопке, а любые события, которые произойдут далее, будут событиями другой, отдельной вселенной. Это чем-то напоминает реинкарнацию. Какой смысл говорить, что новорожденный младенец появился вместо кого-то, ранее жившего, если ребенок не унаследовал качества характера и память из своей предыдущей жизни? Вполне можно сказать, что это совсем другой индивидуум.

Если средняя плотность Вселенной меньше критической величины, Вселенная не будет схлопываться, а будет расширяться вечно. Пройдет какое-то время, и плотность станет настолько малой, что гравитационное притяжение не будет оказывать существенного влияния на замедление расширения[53]. Галактики продолжат разбегаться с постоянной скоростью.

Таким образом, ключевой вопрос для будущего Вселенной таков: какова ее средняя плотность? Если она меньше критической, Вселенная будет расширяться вечно. Но если больше, то Вселенная будет схлопываться и само время придет к своему концу с Большим хрустом. У меня, тем не менее, есть серьезные преимущества перед другими предсказателями судьбы. Даже ежели Вселенная собирается сжаться, я точно могу предсказать, что теперешняя экспансия не остановится по крайней мере еще в течение десяти миллиардов лет. Я не думаю, что кто-нибудь сумеет доказать мою неправоту.

Мы можем попытаться оценить среднюю плотность Вселенной из наблюдений. Если мы посчитаем звезды и сложим их массы, это даст меньше одного процента критической плотности. Даже если мы прибавим массу газовых облаков, наблюдаемых во Вселенной, опять-таки получится не более одного процента критического значения. Но мы знаем, что Вселенная должна также содержать темную материю, которую мы не можем непосредственно наблюдать. Существование темной материи подтверждают спиральные галактики. Они представляют собой огромные блинообразные конгломераты звезд и газа. Мы наблюдаем, что они вращаются вокруг своих центров, но скорость вращения настолько высока, что они разлетелись бы, если бы состояли только из газа и звезд, видимых нами. Там должна быть какая-то невидимая форма материи, гравитационное притяжение которой достаточно велико, чтобы удерживать вращающиеся галактики.

Еще одно доказательство существования темной материи дают скопления галактик. Мы наблюдаем, что галактики распределены во Вселенной неравномерно; они собраны в скопления, которые содержат от нескольких до нескольких миллионов галактик. Предположительно эти скопления возникли за счет притяжения галактик друг к другу. Мы можем измерить скорости отдельных галактик в этих скоплениях. Мы найдем, что эти скорости очень высоки: галактики из этих скоплений разлетелись бы, если бы их не удерживали силы гравитационного притяжения. Масса, требуемая для их удержания, значительно больше наблюдаемой массы всех галактик. Даже если мы учтем вращение галактик, их масс будет недостаточно. Следовательно, в этих скоплениях, кроме самих галактик, которые мы в них видим, должна присутствовать дополнительная темная материя.

Можно сделать достаточно надежную оценку количества темного вещества в этих галактиках и скоплениях. И все-таки полученный результат будет соответствовать всего лишь десяти процентам критической плотности, необходимой для сжатия Вселенной. Если исходить из наблюдений, которые у нас есть, можно предсказать, что Вселенная будет расширяться вечно. Примерно через пять миллиардов лет ядерная печь Солнца погаснет. Солнце раздуется до размеров красного гиганта и поглотит Землю и другие близлежащие планеты. Затем оно успокоится и превратится в белый карлик с диаметром в несколько тысяч километров. Итак, я предсказываю конец света, но только не сейчас. Не думаю, что мое предсказание слишком всколыхнет биржу: на горизонте маячат гораздо более насущные проблемы. В любом случае, к тому времени, как Солнце раздуется, нам следует освоить искусство межзвездных путешествий, если, конечно, к тому времени мы друг друга не уничтожим.

Через десять миллиардов лет выгорит большинство звезд во Вселенной. Звезды солнечной массы станут либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, которые еще меньше и плотнее, чем белые карлики. Более массивные звезды могут стать черными дырами, размеры которых еще меньше, а гравитационное поле настолько сильное, что даже свет не может вырваться из его тисков. Но все эти звездные останки продолжат двигаться вокруг центра нашей Галактики с периодом порядка сотни миллионов лет. Некоторые из них в результате близкого прохождения друг к другу смогут развить достаточные скорости, чтобы преодолеть гравитационное поле Галактики и вырваться за ее пределы. Остальные будут постепенно переходить на все более близкие к центру орбиты и в конце концов соберутся вместе и образуют гигантскую черную дыру в центре Галактики. Чем бы ни являлась темная материя, содержащаяся в галактиках и скоплениях, она, скорее всего, тоже упадет в эту огромную черную дыру.

Итак, основная часть вещества в галактиках и скоплениях предположительно окажется в черных дырах в конце своей эволюции. Хотя некоторое время тому назад я сделал открытие, что черные дыры в сущности не такие уж и черные, как их малюют. Принцип неопределенности, известный из квантовой механики, говорит, что положение и скорость частиц не могут одновременно быть точно определены. Чем точнее определяется местоположение частицы, тем менее точно мы можем рассчитать ее скорость, и наоборот. Если частица находится в черной дыре, то про нее точно известно, что она именно там, внутри дыры. Это означает, что скорость ее неизвестна. Поэтому скорость частицы может превысить скорость света. Такая частица может удрать из черной дыры. Таким образом частицы вещества и излучение будут медленно просачиваться наружу из черной дыры. Размеры гигантской черной дыры в центре Галактики могут составлять миллионы километров в поперечнике. То есть местоположение частицы внутри нее будет весьма и весьма неопределенным. С другой стороны, скорость частицы при этом чуть более предсказуема; это означает, что частице потребуется очень много времени, чтобы выбраться из черной дыры. Но в конце концов это у нее получится. Большой черной дыре в центре Галактики потребуется 10⁹⁰ лет, чтобы испариться и полностью исчезнуть. Это намного больше, чем возраст Вселенной, который составляет 10¹⁰ лет (единица с десятью нулями). Так что времени впереди еще много, если Вселенная намерена расширяться вечно.

Будущее у такой вечно расширяющейся Вселенной достаточно скучное. Но это совершенно не обязательно, что она будет вечно расширяться. Мы имеем точные доказательства наличия только одной десятой доли от плотности, необходимой для начала сжатия Вселенной. Однако могут существовать и другие типы не обнаруженной нами темной материи, которые могут увеличить среднюю плотность Вселенной до критического уровня или выше. Эта дополнительная темная материя может находиться вне галактик и скоплений галактик. Иначе мы заметили бы ее влияние на их вращение и их движение в скоплениях.

Почему мы думаем, что во Вселенной может содержаться достаточное количество темной материи, чтобы со временем заставить Вселенную сжиматься? Почему бы нам не согласиться с тем количеством вещества, относительно которого у нас есть очевидные доказательства? Причина в том, что даже одна десятая критической плотности требует очень аккуратного выбора значений начальной плотности и скорости расширения. Если плотность Вселенной через секунду после Большого взрыва была бы больше только на одну долю из тысячи миллиардов, Вселенная схлопнулась бы за десять лет. С другой стороны, если бы плотность в то время была бы меньше на ту же величину, начиная с десятилетнего возраста эта Вселенная была бы практически пустой.

Как случилось, что первоначальная плотность Вселенной была выбрана настолько тщательно? Наверное, на то есть причина. Предположительно, существуют два объяснения. Одно объяснение – так называемый антропный принцип, который можно выразить следующим образом: Вселенная такова, как она есть, потому что иначе не было бы нас, наблюдающих за ней. Идея заключается в том, что могло быть много различных вселенных с разными плотностями. Но только те из них, в которых плотность была близка к критической, могли существовать достаточно долго и содержать достаточно вещества для образования звезд и планет. Только в этих вселенных возникнут разумные существа, которые зададут вопрос: почему плотность столь близка к критической? Если дело заключается именно в этом, то нет причин полагать, что Вселенная содержит больше вещества, чем уже обнаружено. Десятой доли от критической плотности уже достаточно, чтобы образовались галактики и звезды.

Многим, однако, не нравится антропный принцип, так как он придает слишком большое значение нашему существованию. Поэтому поиски другой причины продолжаются. Эти поиски привели к созданию теории инфляции в ранней Вселенной. Идея заключается в ускоренном расширении Вселенной по сравнению со стандартной моделью. Нечто подобное происходит в странах с галопирующей инфляцией, где цены удваиваются каждые несколько месяцев. Инфляция во Вселенной должна была быть гораздо более стремительной: возрастание по меньшей мере в миллиард миллиардов миллиардов раз заставило бы Вселенную иметь плотность настолько близкую к критической, что она до сих пор была бы близка к этому критическому значению. Таким образом, если теория инфляции верна, Вселенная должна содержать достаточно темной материи, чтобы ее плотность была близка к критической. Это означает, что Вселенная, вероятно, в конце концов начнет сжиматься, но примерно столько же времени (примерно пятнадцать миллиардов лет), сколько она уже расширяется.

Что же такое неизвестная темная материя (если верна теория инфляции)? По-видимому, она отличается от обычного вещества, из которого состоят звезды и планеты. Мы можем вычислить количество различных легких элементов, которые образовались на ранней стадии горячей Вселенной в первые три минуты после Большого взрыва. Количество этих легких элементов зависит от количества обычного вещества во Вселенной. Нарисуем график, по вертикальной оси которого отложим количество легких элементов, а по горизонтальной – количество нормального вещества во Вселенной. Результат вполне соответствует тому, что мы наблюдаем, если количество нормального вещества составляет только ¹/₁₀ от нынешнего критического значения. Может быть, эти вычисления и не верны, но тот факт, что мы получаем наблюдаемые значения для нескольких различных элементов, очень впечатляет.

Если существует критическая плотность темной материи, главным кандидатом на роль этой темной материи могут быть следы ранних состояний Вселенной. Это могут быть, например, элементарные частицы. Имеются несколько гипотетических кандидатов – частицы, которые, по нашему мнению, могут существовать, но которые мы еще не обнаружили. Но самый вероятный вариант – это нейтрино, существование которого подтверждается вескими доводами. Вначале полагали, что нейтрино не имеет собственной массы, но из последних наблюдений следует, что нейтрино может иметь небольшую массу. Если это подтвердится и масса нейтрино окажется такой, как мы ожидаем, то наличие этих частиц сможет поднять плотность Вселенной до критического значения.

Еще одну возможность предоставляют черные дыры. Не исключено, что в ранней Вселенной произошел фазовый переход. Примерами фазовых переходов являются кипение и замерзание воды. При фазовом переходе в первоначально однородной среде (типа воды) появляются некоторые особенности; для воды это куски льда или пузырьки пара. Такие неоднородности могут схлопнуться и образовать черные дыры. Если бы черные дыры были очень маленькими, они бы испарились к настоящему моменту из-за квантовомеханического принципа неопределенности, как было сказано выше. Но если бы они имели массу в несколько миллиардов тонн (масса большой горы), они бы по-прежнему роились вокруг нас и их было бы очень трудно обнаружить.

Единственный способ обнаружить темную материю, однородно распределенную во Вселенной, – зафиксировать ее влияние на расширение Вселенной. Замедление расширения можно отметить, измеряя скорость, с которой от нас удаляются галактики. Дело в том, что мы видим эти галактики такими, какими они были в далеком прошлом, когда свет только покинул их и направился к нам. Можно нарисовать график зависимости скорости галактик от их видимой яркости или звездной величины, которая характеризует их расстояние до нас. Разным темпам замедления расширения будут соответствовать различные виды зависимости на этом графике. График, загибающийся вверх, соответствует Вселенной, которая будет сжиматься. На первый взгляд наблюдения свидетельствуют именно о такой зависимости. Но следует помнить, что видимая яркость галактики все-таки не очень хорошо отражает ее реальное расстояние до нас. Подлинные яркости галактик могут сильно отличаться друг от друга, кроме того, они могут меняться со временем. Поскольку мы точно не знаем, как меняется со временем яркость галактик, мы не можем точно сказать, о чем свидетельствует темп замедления: достаточен ли он для того, чтобы заставить Вселенную в конце концов начать сжиматься, или же она будет продолжать расширяться вечно. Придется ждать, пока не будут найдены другие, более точные способы измерения расстояний до галактик. Но мы по крайней мере можем быть уверены, что темп замедления не настолько большой, чтобы стать причиной для беспокойства в ближайшие несколько миллиардов лет.

Ни вечное расширение, ни сжатие, которое может прийти ему на смену через сотню миллиардов лет, не являются теми событиями, которые способны нас взбудоражить. Нет ли в запасе чего-то такого, что может сделать наше будущее более захватывающим? Один способ, кажется, просматривается, и это – путешествие в черную дыру. При этом черная дыра должна быть достаточно большой, с массой больше миллиона солнечных масс. Есть большой шанс, что такая большая черная дыра существует в центре нашей Галактики.

Мы не знаем достоверно, что происходит внутри черной дыры. Существуют такие решения уравнений ОТО, которые допускают возможность путешествия внутрь черной дыры и последующего выхода из белой дыры где-либо в другом месте. Белая дыра – это черная дыра, обращенная во времени. Это объект, из которого все выходит, но ничего туда не попадает. Белая дыра может находиться в какой-то другой части Вселенной. Казалось бы, возникает возможность быстрого внегалактического путешествия. Но беда заключается в том, что оно может оказаться чересчур быстрым. Если бы путешествие сквозь черную дыру было возможно, в принципе ничто не препятствовало бы вам вернуться назад ранее момента отправления. Вы бы могли тогда совершить какое-то ужасное деяние, вплоть до убийства своей собственной матери, которое изначально положило бы конец всем вашим перемещениям.

По-видимому, к счастью для нашего собственного выживания (и безопасности наших матерей), такие путешествия во времени вряд ли разрешены законами физики. Складывается впечатление, что существует специальное Бюро защиты хронологии, которое гарантирует историкам безопасность мира, запрещая путешествия в прошлое. Возможно, при попытке отправиться туда, принцип неопределенности привел бы к появлению мощной радиации. Эта радиация либо вызвала бы сильную деформацию пространства-времени, из-за которой нельзя было бы попасть во вчера, либо вообще покончила бы с пространством-временем в результате развития сингулярности типа Большого взрыва или Большого хлопка. В любом случае наше прошлое оказалось бы недоступно для злонамеренных личностей. Гипотеза о защите хронологии подтверждается расчетами, выполненными недавно мной и некоторыми другими специалистами. Но самым лучшим доказательством того, что путешествия во времени невозможны и никогда не будут возможны, является отсутствие в нашем настоящем толп туристов из будущего.

Давайте подведем итоги. Ученые уверены в том, что Вселенная подчиняется строгим законам, которые в принципе дают возможность предсказывать будущее. Но изменения, к которым приводит действие законов, часто хаотичны. Это означает, что крохотное изменение первоначальной ситуации может привести к серьезным изменениям в дальнейшем поведении изучаемого объекта, и они будут быстро усугубляться. Таким образом, на практике возможно только точное прогнозирование ближайшего будущего. Однако Вселенная на очень больших масштабах вполне гармонична и предсказуема. Поэтому открывается возможность просчитать, будет ли Вселенная расширяться вечно или в конце концов начнет сжиматься. Это зависит от современного значения плотности Вселенной. Значение плотности, установленное в настоящее время, приближается к критической плотности, разделяющей два сценария развития Вселенной: сжатие и бесконечное расширение. Если теория инфляции верна, Вселенная по сути находится на острие ножа. Следуя доброй традиции оракулов и пророков, я не возьму на себя смелость сделать твердый и решительный выбор между двумя сценариями, предоставив право на существование им обоим.