Новости

Глава из книги Марсело Глейзер "Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки"

Глава 11. Космическая слепота

в которой мы рассмотрим концепцию космических горизонтов и выясним, как они ограничивают наши знания о Вселенной

По мере приближения к современной космологии становится все интереснее и интереснее. Сочетание Вселенной, имеющей ограниченный возраст (ведь время возникло в момент Большого взрыва), и конечности скорости света создает непреодолимый барьер для нашего познания космоса. Данный барьер совершенно не похож на те, которые мы видели до этого, потому что он не зависит от точности наших измерительных приборов, то есть от нашей «близорукости» в отношении реальности. Это абсолютная граница возможных знаний о физическом мире, о которой даже не подозревали Галилей, Коперник и Ньютон. Пространство Вселенной может быть бесконечным, но мы никогда не узнаем этого наверняка. Мы живем в информационном пузыре, как рыбки в аквариуме. За этим пузырем тоже что-то есть, мы можем делать выводы об этом, исходя из тех неясных образов, что мы видим через его стенки, но нам никогда не узнать наверняка, что за ними скрывается. Три века назад де Фонтенель уже понимал, что агония и экстаз научного и философского познания проистекают из желания знать больше, чем мы можем увидеть. Мы тянемся к границе познания, рискуя разбить себе голову о стекло. Так же как и наши предшественники, мы мечтаем освободиться от ограничений и коснуться неведомого. Но теперь это невозможно. То, что находится за установленными границами, останется неизвестным.

Теории относительности Эйнштейна устанавливают довольно жесткие ограничения для тех, кто мечтает путешествовать во времени в прошлое. Специальная теория прямо заявляет, что это невозможно, так как по мере достижения скорости света масса объекта бесконечно возрастает. Однажды, во время традиционного метафизического спора по дороге в школу, мой шестилетний сын Луциан гордо заявил мне: «Папа, только одна штука может двигаться со скоростью света. Это свет!» Что ж, это верно. И ему это удается потому, что у света нет массы. Любая частица материи, даже находящаяся в состоянии покоя, будет иметь энергию, равную ее массе (m), умноженной на квадрат скорости света (с²), что и показал Эйнштейн в своей знаменитой формуле Е = mc². Но, в отличие от материи, свет никогда не бывает в состоянии покоя. Его энергия зависит от частоты (f), что выражается в до смешного простой формуле E = hf, где h — это постоянная Планка, крошечная природная константа, задающая тон всему квантовому миру. Чем выше частота света, тем больше его энергия. Формула E = hf не описывает поведение света, который мы видим вокруг себя и который представляет собой постоянно отражающиеся от объектов волны. Эта формула скрывает одну из величайших загадок современной науки.

Для того чтобы создать свою формулу энергии света, Эйнштейн предложил теорию, которую он сам считал своей самой революционной идеей. Он заявил, что свет можно одновременно интерпретировать и как волну (как считали большинство ученых в XIX веке), и как частицу. Частицы света называются фотонами, а формула E = hf описывает энергию одного фотона. Потоки света содержат множество фотонов, и их энергия всегда кратна энергии одного — hf. В данном случае можно провести аналогию с деньгами. Сумму любой финансовой сделки, от пары долларов до миллиардов, можно выразить в центах. Разумеется, при больших объемах теряется «квантовость» сделки, то есть ее центовое выражение. Но как каждый цент — это деньги, так и каждый фотон — это свет¹.

На практике в одном световом потоке могут находиться фотоны с разной длиной волны. К примеру, солнечный свет состоит из всех видимых цветов, от красного до фиолетового, а каждый цвет имеет свою длину волны и свои фотоны. Если продолжить нашу финансовую аналогию, солнечный свет — это клиент, который приходит в обменный пункт с множеством разных валют (цветов спектра), и при этом каждая из них имеет свой вариант цента (фотон с энергией, равной hf).

Большая часть информации о Вселенной поступает к нам в форме электромагнитного излучения. В качестве примера можно привести оптическую астрономию — благородную традиционную технологию, предполагающую сбор фотонов видимого света невооруженным глазом или с помощью телескопа. Сегодня астрономы рассматривают небеса почти во всем электромагнитном спектре, от радио- до гамма-волн. Однако на какой тип света мы бы ни смотрели, его скорость все так же ограничена². Когда вы читаете эту книгу, вы видите страницу такой, какой она была одну миллиардную долю секунды назад. Луна представляется нам такой, какой она была 1,282 секунды назад, так как расстояние от нее до Земли составляет 1,282 световой секунды. Солнце выглядит в наших глазах таким, каким оно было 8,3 минуты назад, ведь расстояние до него — 8,3 световой минуты. Прямо сейчас Солнце может взорваться, и вы еще восемь минут не узнаете об этом.

Путешествуя по Солнечной системе дальше, мы сталкиваемся с трудностью. Планеты движутся вокруг Солнца с разной скоростью, а значит, расстояния между ними и Землей могут значительно изменяться в зависимости от соотношения орбит. Например, расстояние между Землей и Марсом варьируется от 4,15 световойминуты (при максимальном приближении и расположении с одной стороны Солнца) до 20,8 световой минуты (максимальное удаление и Солнце посередине). Если вы не работаете на NASA и не проектируете полеты космических кораблей, проще всего измерять расстояния в Солнечной системе дистанциями между планетами и Солнцем. Марс находится от него примерно в 12 световых минутах, а Нептун — в 4,16 светового часа. Внезапно восьмиминутная задержка света между Солнцем и Землей кажется просто мелкой погрешностью по сравнению с расстояниями на краю нашей системы. Самым дальним из известных объектов в Солнечной системе является облако Оорта — скопление ледяных шаров, опоясывающее Солнце и планеты на расстоянии один световой год. Именно там находятся остатки газового облака, которое сжалось 4,6 миллиарда лет назад и сформировало Солнце, планеты и их луны.

Все небесные тела внутри этого пузыря диаметром два световых года, включая и нашу планету, имеют общее происхождение. Удаляясь от Солнца, мы попадаем на незнакомую территорию, полную чужих звезд со своими планетами. Их тоже объединяет общее происхождение и история. Эти звездные системы можно сравнить с семьями, где дети имеют одних и тех же родителей (первичное газовое облако), а затем вырастают и идут в жизни своими путями. Ближайшая к Солнцу звездная система находится в созвездии Центавра, которое было известно еще Птолемею во II веке н. э. Это значит, что его можно увидеть на южном небе невооруженным глазом и попытаться разглядеть в нем полуконя-получеловека. В созвездии Центавра находятся ближайшие к Солнцу звезды — тройная звезда под названием альфа Центавра расположена от нашего светила в 4,4 светового года, то есть в 26 триллионах миль. Из трех звезд, составляющих альфу Центавра, ближайшая к нам — это Проксима, свет от Солнца до которой идет 4,24 световогогода. Итак, когда мы смотрим на альфу Центавра (и ошибочно считаем, что перед нами одна звезда), мы получаем информацию более чем четырехлетней давности. В этот момент звезд вообще уже может не быть на своих местах. Мы можем лишь предполагать, что они никуда не исчезли, потому что мы знаем, к какому типу они принадлежат и на каком этапе развития находятся. Но прямых доказательств у нас нет и никогда не будет. Ночное небо — это коллекция историй из прошлого.

В Южном полушарии созвездие Центавра с трех сторон граничит со знаменитым Южным Крестом. Я родился в Бразилии, так что для меня на небе нет более важного знака (второе место занимает Орион). Южный Крест находится на нашем флаге (а еще на флаге Австралии, Новой Зеландии, Папуа — Новой Гвинеи и Самоа), символизируя нашу преданность небу и верность нашим звездным корням. Несомненно, Южный Крест подкреплял веру набожных и жадных миссионеров, прибывших в Южную Америку в начале XVI века. Они были убеждены, что крест в небе — это знак Бога, подарившего им эту полную красоты и богатств землю обетованную. Именно поэтому они посчитали себя вправе разграбить ее.

Если мысленно соединить две вертикально расположенные звезды Южного Креста, а затем продолжить линию вниз, она практически точно укажет на Южный полюс мира. Я уже достаточно долго прожил в северных широтах, но каждый раз, возвращаясь в Бразилию, ищу в небе Южный Крест. Только после этого я чувствую, что действительно вернулся к небесам, под которыми находится мой дом. Очень странно думать о том, что звезды, из которых состоит Южный Крест, находятся от нас на разных расстояниях в сотни световых лет. Изображение креста — это всего лишь иллюзия, спроецированная на небесный свод.

Если вы верите в инопланетян и мечтаете о космических путешествиях, я бы хотел вас отрезвить. Даже если бы мы отправили к альфе Центавра свой самый быстрый космический корабль и он сумел бы развить скорость 30 тысяч миль в час, он все равно долетел бы до места назначения только через сотню тысяч лет. Даже если бы нам удалось разработать новую технологию, способную переносить нас в пространстве со скоростью, равной одной десятой скорости света, перелет все равно занял бы 44 года. Так что до тех пор, пока мы не организуем массовую звездную миграцию с участием нескольких поколений или не придумаем совершенно новый способ космических путешествий, новые звездные системы — даже наши ближайшие соседи — нам не светят.

Диаметр нашей Галактики, Млечного Пути, составляет 100 тысяч световых лет. Если зажечь на одном ее краю фонарик, столько времени потребуется фотонам, чтобы достигнуть противоположного края. Иными словами, когда мы изучаем звезды на границе нашей Галактики, мы видим их такими, какими они на самом деле были во времена зарождения нашего вида Homo sapiens sapiens. Если перевести взгляд на галактику Андромеды, то мы увидим свет, испущенный звездами еще в то время, когда первые Homo только расселялись по Африке.

Когда астрономы наблюдают за звездами, они заглядывают в прошлое и собирают свет, зажегшийся миллионы, если не миллиарды лет назад. Это верно и для модели расширяющейся Вселенной, хотя в данном случае все немного сложнее. Если Вселенная статична, то мы видим ее компоненты такими, какие они есть на самом деле. Когда нам известно расстояние до объекта, мы можем рассчитать, насколько давно этот объект испустил свет. Для этого нужно просто разделить расстояние на скорость света. Но расширение Вселенной заставляет галактики и другие источники света двигаться, поэтому излучаемый ими свет может проходить за одно и то же время большие расстояния, чем в статическом космосе. Представьте себе пловца в реке. Если он движется по течению, то за тот же промежуток времени покроет большее расстояние, чем если бы он плавал в бассейне. В расширяющейся Вселенной свет от объекта, находящегося на расстоянии 2,6 миллиарда световых лет от нас, был испущен им 2,4 миллиарда лет назад. Чем дальше разбегаются наблюдаемые объекты, тем больше становится это несоответствие. В тот момент, когда я пишу эти строки, самый дальний из известных космических объектов находится на расстоянии 32,1 миллиарда световых лет от Земли. Свет покинул его 13,2 миллиарда лет назад и прошел в 2,5 раза большее расстояние, чем сумел бы покрыть, если бы Вселенная была статичной. Учитывая, что возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет, свет от этого объекта покинул свой источник всего через 600 лет после Большого взрыва и шел к нам в течение почти всей истории космоса.

Я уверен, что читатели уже поняли, к чему я клоню. В какой-то момент мы упремся в заграждение, в стенку аквариума, в барьер, который мы не сумеем преодолеть. Теоретически таким барьером является сингулярность, точка начала времени. Практически же, по крайней мере в ходе сбора информации от электромагнитного излучения, мы натыкаемся на стену немного раньше. Примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная пережила существенную трансформацию. Чтобы понять почему, представьте себе раннюю Вселенную как бульон, в котором плавают и постоянно сталкиваются между собой элементарные частицы: фотоны, протоны, электроны, нейтроны и легкие атомные ядра³. Чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем горячее космос и тем активнее эти частицы взаимодействуют между собой. Если же мы продвинемся во времени вперед, мы убедимся, что Вселенная остывает — по мере ее расширения частицы теряют энергию. Благодаря этому остыванию и потере энергии происходит то, что раньше было невозможно. Электрон и протон соединяются и образуют атом водорода. До этого момента фотоны наполнявшего космос излучения были такими активными, что при любой попытке протона и электрона объединиться сталкивались с ними и мешали формированию прочной связи. Получался эдакий космический любовный треугольник, который распался лишь тогда, когда страсть фотонов угасла и они позволили протонам и электронам соединиться. Так родился самый простой из атомов, а фотоны, освободившись от любовных драм, смогли беспрепятственно продолжить движение по космосу. Этот процесс называется рекомбинацией и обозначает переход от темной к прозрачной Вселенной⁴.

До рекомбинации фотоны были так заняты в своем любовном треугольнике с протонами и электронами, что не могли свободно перемещаться. А если фотон не двигается, мы не можем его заметить. Ранняя Вселенная была непроницаема для электромагнитного излучения любого типа, поэтому пытаться понять, что происходило до рекомбинации, — словно смотреть сквозь густой туман. Однако вскоре после рекомбинации они получили свободу передвижения — в физике этот процесс называется расщеплением материи и излучения. Эти расщепленные фотоны, несущиеся сквозь космос, известны как реликтовое излучение — затухающий свет тех времен, когда формировались первые атомы. В ходе рекомбинации температура излучения составляла около 4000 градусов по Кельвину, или 7200 по Фаренгейту. Вселенная сияла, как флюоресцентная лампа. Вот уж воистину «да будет свет»! После 13,8 миллиарда лет расширения реликтовые фотоны остыли до 2,75 градуса по Кельвину (−454,7 по Фаренгейту). Космос утратил очарование юности, и теперь его глубины погружены в холод и мрак.

Итак, мы видим, как в космологии появляется концепция горизонта. Когда мы стоим на берегу моря, горизонт обозначает границы видимого пространства, но при этом мы знаем, что море продолжается и за ним. Тот же принцип работает и для Вселенной. Существует самая дальняя точка, свет от которой шел к нам 13,8 миллиарда лет, то есть в течение всей жизни Вселенной. Даже если космос продолжается за данной точкой, мы не можем получать сигналов из-за этой стены. Релятивистская космология показывает нам новую границу наших знаний о мире. Физическая Вселенная — это все тот же Остров знаний.

Вероятность развить на обычном космическом корабле скорость, превышающую скорость света, крайне мала. У нас нет оснований полагать, что специальная теория относительности может ошибаться в этом отношении. С другой стороны, как я пытаюсь показать этой книгой, никогда нельзя знать наверняка. Вполне возможно, что наше текущее представление о причинно-следственных связях и хронологии, основанное на скорости света, не является последним словом по данному вопросу. Мы должны строить свои рассуждения на имеющихся у нас научных знаниях, но быть открытыми для неожиданностей. Вера в то, что научное знание неизменно, — это ошибка, которую мы ни в коем случае не должны совершать. Как уже должен был понять читатель из нашего краткого обзора истории астрономических знаний, ни одна научная конструкция не является непоколебимой. Изменения — это единственный путь вперед.

Все, что мы знаем (и можем узнать) о Вселенной, основывается на информации из нашего космического пузыря, царства причинно-следственных связей, ограниченного скоростью света и историей нашей расширяющейся Вселенной. По иронии судьбы над нами все же нависает небесный свод, пускай он ограничивает не пространство, как полагали Аристотель, Коперник или Эйнштейн, но время. Мы не можем увидеть того, что находится за космическим горизонтом, если только нам не будет отправлен оттуда сигнал. Возможно, там происходят совершенно сумасшедшие вещи, например, прямо сейчас розовые слоноподобные дроиды пляшут там самбу на планете Мамба. Но мы этого никогда не узнаем и не сможем узнать.

Сегодня нашим самым ценным источником информации о ранней Вселенной является реликтовое излучение — фотоны, оставшиеся после рекомбинации. Данные спутниковых миссий, таких как Cosmic Microwave Background, Explorer, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe и недавно запущенной космической обсерватории «Планк», совмещенные с информацией, полученной в результате десятков наземных наблюдений, помогли астрономам составить подробную карту раннего космоса. Тот факт, что результаты некоторых измерений реликтового излучения были независимо подтверждены разными телескопическими исследованиями, показывает, что современная космология является серьезной наукой, основанной на фактах и ушедшей далеко вперед от своих первых дней, наполненных исключительно рассуждениями. Гравитационные толчки и пертурбации, которые переживала материя в начале существования космоса, отражены в едва заметных температурных колебаниях фотонов реликтового излучения и потрясающим образом помогают нам понять, как галактики распределяются по небу сегодня.

Что же говорят нам последние измерения космоса? Во-первых, они указывают на то, что космическая геометрия плоская — что-то вроде трехмерной версии столешницы (которая имеет лишь два измерения). Если свет не проходит рядом с массивной звездой или галактикой, он движется по прямой в заданном направлении. Плоскость — это один из трех возможных вариантов. Еще один из них описывает замкнутую геометрию, вроде поверхности сферы, двигаясь по которой в одном и том же направлении можно оказаться в точке старта (не пытайтесь представить себе это в трех измерениях). Наконец, третий вариант — это открытая геометрия, которую можно (весьма приблизительно) описать с помощью такого двухмерного аналога, как кусочек чипсов Pringles, загибающийся одновременно в двух направлениях. Иногда в качестве примера используют седло, которое опускается вниз под ногами всадника, но поднимается вверх на спине у лошади.

Космическая геометрия, форма космоса в самом что ни на есть вселенском масштабе зависит от всего, что существует во Вселенной, и от взаимоотношений между этими объектами или явлениями. За контроль над космосом борются две противоположные тенденции: расширение (за счет того, что в самом начале горячая материя и излучение были сжаты до небольшого объема) и сжатие (за счет действия сил притяжения). Победитель определит судьбу Вселенной: она может либо вечно расширяться, либо, если в ней окажется достаточно материи, начать сокращаться. Большой взрыв вполне может обернуться Большим схлопыванием.

Эти две тенденции определяют геометрию космоса с тех пор, как Эйнштейн показал нам влияние на нее материи. Вселенная с невысокой плотностью материи, в которой силы притяжения недостаточно сильны, будет расширяться вечно и иметь открытую геометрию. Критическое количество энергии в объеме, необходимом для остановки расширения, иногда называют критической плотностью. Она равняется всего 5 атомам водорода на кубический метр пространства. Согласно нашим измерениям, обычная атомная материя составляет лишь 4,8% от этого количества (то есть 0,2 атома на кубический метр)⁵.

Однако, помимо обычной атомной материи, существует другой тип материи, состав которой нам до сих пор неизвестен. Это так называемая темная материя. Почему темная? Потому, что она не излучает свет, то есть не испускает никакого электромагнитного излучения. Мы знаем, что она существует, потому что она заставляет галактики вращаться быстрее. Астрономы также могут измерить то, как темная материя, собираясь вокруг галактик в своеобразную темную вуаль, искажает пространство. Это довольно интересное зрелище. Для того чтобы увидеть его, астрономы обращают внимание на свет, исходящий от очень далеких объектов и проходящий мимо ближайших галактик. Точно так же, как и Солнце, галактики заставляют свет изгибаться. Этот эффект называется гравитационным линзированием, потому что свет при нем искривляется так же, как при попадании в обычную линзу. Если сложить все данные наблюдений и прибавить к ним информацию о реликтовом излучении, окажется, что количество темной материи во Вселенной в шесть раз превышает объем обычной. Соответственно, темная материя добавляет к плотности космоса еще 25,9% критического значения. Природа темной материи, то есть ее состав, является одной из главных загадок современной космологии и физики частиц. Однако ее мы, вероятно, сможем разгадать, когда у нас появятся более совершенные приборы. Этим она отличается от космического горизонта — предела, за который мы не можем выйти.

Сегодня основными кандидатами на включение в состав темной материи являются частицы, существование которых предсказывают суперсимметричные теории, продолжающие современную физику частиц и вводящие новое понятие природной симметрии. Приставка «супер» в названии суперсимметричных теорий происходит из теории суперструн, которая должна объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. По состоянию на зиму 2014 года доказательств суперсимметрии так и не было обнаружено, несмотря на многолетние исследования и активную поддержку многих физиков. Реализована ли суперсимметрия в Природе, на сегодняшний день неясно (и немного сомнительно).

Еще один способ объяснить существование темной материи — это не вводить новую частицу, а постулировать ошибку в общей теории относительности Эйнштейна. Теория заявляет, что изменения в поведении сил гравитации возникают лишь на огромных галактических расстояниях. Тем не менее и в этом случае у нас не имеется доказательств того, что такое объяснение будет работать и соответствовать астрофизическим наблюдениям. Загадочная природа темной материи — это еще одна яркая иллюстрация того, что существуют важные вопросы (вроде существования неизвестного компонента в материальном составе Вселенной), на которые мы не можем ответить из-за ограниченной точности и дальности наших приборов. Мы знаем, что вокруг галактик что-то скапливается, но не можем понять, что именно.

Если сложить вместе общую массу (и энергию) атомной материи, темной материи и излучения (которое не привносит в это уравнение почти ничего), плотность Вселенной с ее открытой геометрией составит всего 30% от критической. Но это еще не вся история. Если во Вселенной существует космологическая постоянная или что-то подобное, она заставляет космос растягиваться. Вспомните, что Эйнштейн ввел ее, чтобы сделать свою закрытую Вселенную статичной, а затем отказался от этой идеи, узнав об открытии Хабблом закона расширения космоса. Удивительно, однако данные, полученные двумя группами астрономов независимо друг от друга, указывают на то, что что-то похожее на космологическую постоянную не только существует, но и управляет материей в рамках нашего космического горизонта. Результаты измерений были опубликованы в 1998 году и поразили физическое и астрономическое сообщество. Поначалу никто не хотел им верить, но шло время, а данные проходили проверку за проверкой и выдерживали критику. Мощные новые инструменты снова открыли что-то, о чем мы и не подозревали, показав нам, каким странным местом на самом деле является космос. Все эта ситуация очень похожа на историю с темной материей: мы знаем, что там что-то есть, но не можем понять что.

В 2011 году трое лидеров исследовательских групп получили Нобелевскую премию по физике за открытие темной энергии, загадочного явления, действующего как космологическая постоянная и ответственного не только за растяжение пространства, но и за ускорение этого процесса. Что еще более важно, при подсчете доли темной энергии в общей плотности Вселенной получается почти 70% критической плотности. Сопоставив различные собранные данные, можно прийти к потрясающему выводу: темная энергия не только весит больше всего остального в космосе, но и доводит плотность до критического значения. Это звучит слишком хитро, чтобы быть правдой. Итак, выходит, что плотность космоса практически достигла критического значения. Текущие измерения показывают соответствие общей плотности Вселенной этому значению с точностью до 0,5%.

На первый взгляд, космос, в котором значение критической плотности достигнуто абсолютно точно, кажется результатом тонкой божественной настройки. Но если задуматься, вселенные, способные породить жизнь, должны соответствовать строгим критериям: их плотность не должна быть ни слишком низкой, иначе они будут расширяться слишком быстро и материя не успеет сгруппироваться в планеты и галактики, ни слишком высокой, иначе они схлопнутся еще до того, как в них появятся первые звезды. Вселенная, в которой может зародиться жизнь, должна быть достаточно старой, чтобы в ней сменилось несколько поколений звезд и чтобы они сумели произвести достаточно тяжелых химических элементов. Эти условия налагают ограничения на потенциальные значения плотности Вселенной и гипотетической космологической постоянной. Оптимальная для жизни Вселенная должна иметь как раз такое критическое значение плотности материи, как в нашем случае. Физик и писатель Пол Дэвис называет наш космос «Вселенной-Златовлаской». Действительно, считать нашу Вселенную идеально подходящей для жизни очень соблазнительно. Однако у меня имеется несколько другое объяснение этих космических совпадений, к которому я скоро вернусь.

Современные измерения настолько точны, что мы можем определить плотность материи и темной энергии с точностью более половины процента. Если в будущем не произойдет никаких потрясений вселенского масштаба и космическое доминирование темной материи не ослабнет, мы можем с уверенностью говорить, что живем в плоской Вселенной, обреченной на вечное расширение с постоянным ускорением. Но если Вселенная продолжит вести себя подобным образом, наших (очень далеких) потомков ждет мрачное будущее. Растягиваясь, пространство утащит за собой большую часть небесных светил, то есть почти все те галактики, которые мы сегодня можем рассмотреть в телескоп. Со временем скорость их разбегания превысит скорость света, и возникнет новый космический горизонт, свет из-за которого мы никогда не увидим⁶. В конце концов, в ночном небе останется лишь наше местное сверхскопление — большая группа галактик, включающая в себя Млечный Путь и Андромеду и связанная силами гравитации. Да и оно будет выглядеть непривычно для нашего глаза. Как уже говорилось выше, через несколько миллиардов лет Млечный Путь и Андромеда могут слиться в одну галактику. Через четыре миллиарда лет Солнце превратится в красный гигант и жизнь на Земле станет невозможна (на самом деле это произойдет гораздо раньше из-за нестабильных выбросов солнечной энергии). Если космологи из далекого будущего не будут иметь доступа к результатам прошлых измерений, их выводы о природе Вселенной будут совершенно отличными от наших. Не видя разбегающихся галактик, они не смогут прийти к заключениям о расширении Вселенной или о Большом взрыве. По иронии судьбы их космос окажется статичным — островок местного сверхскопления, окруженный темной пустотой. Остров знаний будет уменьшаться до тех пор, пока не исчезнет совсем. Через какое-то время редкие звезды, еще способные испускать свет, состарятся и погаснут. Космос погрузится во тьму, и кошмар, когда-то описанный лордом Байроном, станет явью:

Я видел сон... Не все в нем было сном.
Погасло солнце светлое, и звезды
Скиталися без цели, без лучей
В пространстве вечном; льдистая земля
Носилась слепо в воздухе безлунном.
Час утра наставал и проходил,
Но дня не приводил он за собою...
И люди — в ужасе беды великой
Забыли страсти прежние... Сердца
В одну себялюбивую молитву
О свете робко сжались — и застыли⁷.

К счастью, по последним данным, эти мрачные перспективы ожидают нашу планету лишь в далеком будущем, вероятно через пару триллионов лет. Я рассказываю об этом не для того, чтобы напугать своих читателей, а чтобы дать им пищу для размышлений, ведь подобные прогнозы влияют на имеющуюся у нас сегодня картину космоса. Вселенная, которую мы изучаем, рассказывает нам лишь конечную историю, состоящую из информации, которая может к нам попасть (то есть не ограничена космическим горизонтом), и информации, которую мы можем собрать (доступную для наших технологий). Если несчастные космологи будущего станут основывать свои теории только на том, что они могут измерить, они получат неверную картину мира и никогда не узнают, что их мрачный космос имеет историю, длящуюся уже несколько триллионов лет. Их статический космос будет иллюзией, результатом существования космического горизонта, в рамках которого галактики не разбегаются. Из всей этой истории можно извлечь страшный урок: наши знания о космосе ограничиваются не только естественными лимитами и технологическими причинами. Собранная нами информация может быть обманчивой и приводить к возникновению у нас совершенно неправильного видения мира. Наши измерения не показывают нам всю картину целиком — возможно, всего лишь краешек.

Чтобы не впасть в научный нигилизм, мы должны наслаждаться тем, что мы можем узнать о мире, пускай уверенными можно быть лишь в немногом. Вместо громких заявлений вроде «Мы знаем истинную природу Вселенной» следует говорить: «Вот то, что мы можем заключить о природе Вселенной». Слово «истинный» бессмысленно, если мы так никогда и не узнаем, в чем состоит истина. Но мы все еще в состоянии делать потрясающие выводы, и это тоже ценно. Мы не должны останавливаться. Нужно продолжать стремиться дальше, к тому, что может лежать за нашим космическим горизонтом.

¹ Говоря точнее, под «светом» в данном случае я понимаю не только видимый свет, но и все возможные типы электромагнитного излучения, из которых видимый свет составляет лишь небольшую долю. Электромагнитный спектр простирается от радиоволн с максимальной длиной (но минимальной частотой, а значит, самой низкой энергией) до микроволн, от инфракрасных волн и света видимого спектра до ультрафиолетового излучения, от рентгеновских до гамма-лучей, имеющих наименьшую длину и, соответственно, максимальную энергию.

² Во избежание путаницы, если не указано иное, я буду использовать понятие «свет» для обозначения всех типов электромагнитного излучения.

³ Легкие атомные ядра, существующие сегодня, были синтезированы в период с одной сотой секунды до трех минут после Большого взрыва. Этот период называют нуклеосинтезом. К таким ядрам относится несколько изотопов водорода (дейтерий и тритий с одним протоном и одним и двумя нейтронами в ядре соответственно), гелия (гелий-3 и гелий-4 с двумя протонами и одним и двумя нейтронами соответственно) и литий-7 (с тремя протонами и четырьмя нейтронами). Более крупные атомные ядра возникли через сотни миллионов лет после взрывов умерших звезд.

⁴ Учитывая, что электроны и протоны до этого не составляли атомов водорода, термин «рекомбинация» кажется мне неудачным.

⁵ Цифры приводятся на основе анализа, проведенного командой спутника «Планк». См., например, Planck 2013 results. XXII. Constraints on inflation (arXiv:1303.5082).

⁶ То, что галактики могут разбегаться со скоростью, превышающей скорость света, не противоречит теории относительности Эйнштейна, хотя может показаться, что это так. Скорость света ограничивает быстроту распространения информации или частиц, но не скорость увеличения пространства как такового.

⁷ George Gordon (Lord) Byron, «Darkness», in The Works of Lord Byron: A New, Revised, and Enlarged Edition with Illustrations, ed. Ernest Hartley Coleridge, vol. 4 (London: John Murray, 1901), 42.

Оригинал статьи можно посмотреть по ссылке на сайте научно-популярного проекта «Элементы большой науки» http://elementy.ru/bookclub/chapters/433647/Ostrov_znaniy_Glava_iz_knigi