За последнее десятилетие мы стали свидетелями впечатляющих открытий: были получены фотографии чёрных дыр, исследованы тайны атома и изучены процессы, происходившие в далёком прошлом, когда зародилась Вселенная.
Однако, несмотря на эти достижения, в нашем понимании Вселенной и законов, которые ею управляют, остаются значительные пробелы. Эти вопросы будут волновать физиков и астрономов на протяжении следующего десятилетия и, возможно, даже дольше.
Почему существует что-то, а не ничего?
Согласно стандартной космологической картине, в начале был «инфляционный вакуум». Он обладал сверхвысокой плотностью энергии и отталкивающей гравитацией, из-за чего расширялся. Чем больше его было, тем сильнее было отталкивание и тем быстрее он расширялся.
Как и всё «квантовое», этот вакуум был непредсказуемым. В случайных местах он распадался на обычный вакуум. Огромная энергия инфляционного вакуума должна была куда-то деваться. Она пошла на создание материи и нагревание её до невероятно высокой температуры — на создание больших взрывов. Наша Вселенная — всего лишь один из таких пузырей Большого взрыва в постоянно расширяющемся инфляционном вакууме.
Удивительно, но всё могло начаться с частицы, образованной в результате расширения вакуума, которая имела массу, сравнимую с пакетом сахара. И что самое интересное, законы физики, особенно квантовая теория, допускают возможность возникновения такой материи из ничего. Однако возникает логичный вопрос: как появились сами законы физики?
В 1918 году немецкий математик Эмми Нетер внесла значительный вклад в понимание законов сохранения. Она обнаружила, что эти фундаментальные принципы являются следствием глубоких симметрий пространства и времени — свойств, которые остаются неизменными при изменении нашей точки зрения.
Удивительным аспектом этих симметрий является то, что они также применимы к пустоте — к абсолютно пустой Вселенной. Таким образом, переход от небытия к бытию мог быть не таким уж грандиозным событием. Возможно, это было лишь превращение пустоты в «структурированное» ничто, нашу Вселенную, наполненную галактиками.
Но почему произошли эти изменения? Американский физик Виктор Стенджер обратил внимание на то, что при понижении температуры вода превращается в структурированную форму — лёд — потому что лёд более стабилен. Возможно, предположил он, Вселенная перешла от небытия к «структурированному небытию», потому что эта форма более устойчива?
Почему в центре каждой галактики находится гигантская чёрная дыра?
В нашей Вселенной около двух триллионов галактик, и, насколько нам известно, почти в каждой из них есть центральная сверхмассивная чёрная дыра. Их размеры варьируются от чудовищных, вес которых почти в 50 миллиардов раз превышает массу Солнца, до карликовых чёрных дыр массой 4,3 миллиона солнечных масс, известных как Стрелец A* в центре нашего Млечного Пути (одна солнечная масса = массе нашего Солнца).
Но как они туда попали, остается одной из величайших неразгаданных тайн космологии. Мы знаем, что черная дыра образуется в результате взрыва сверхновой, при котором ядро звезды разрушается. Но никто не знает, как образуется сверхмассивная черная дыра.
На протяжении большей части космической истории центры галактик находились там, где большое количество материи было заключено в небольшом объеме. Возможно, сверхмассивные чёрные дыры формируются в плотном звёздном скоплении из звёздных чёрных дыр, которые многократно сливаются друг с другом. Косвенным доказательством этого является слияние двух чёрных дыр, обнаруженное с помощью гравитационных волн. Одна из чёрных дыр была слишком большой, чтобы быть остатком сверхновой, и, возможно, образовалась в результате более раннего слияния.
Альтернативный способ образования сверхмассивной чёрной дыры — прямое сжатие плотного газового облака. Возможно, они образуются в результате сочетания коллапса облака и слияния чёрных дыр. Также возможно, что сверхмассивные чёрные дыры образовались во время Большого взрыва.
Это стало бы новым ответом на вопрос о том, что появилось раньше — галактики или сверхмассивные чёрные дыры? Вместо того, чтобы сначала сформироваться галактикам, а затем породить таких монстров, сначала сформировались бы сверхмассивные чёрные дыры, вокруг которых образовались бы звёздные галактики.
Существует ли время?
Время — это то, что не даёт всему происходить одновременно, — сказал американский физик Джон Уилер. Но время — это расплывчатое понятие. Большая часть того, что, как нам кажется, мы знаем, — ложна. Например, мы представляем себе, что время течёт.
Однако для того, чтобы что-то текло, оно должно течь относительно чего-то другого, подобно тому, как река течёт относительно берега. Течёт ли время относительно чего-то другого — второго типа времени? Эта идея кажется бессмысленной. Скорее всего, течение времени — это иллюзия, созданная нашим мозгом для упорядочивания информации, которая постоянно поступает к нам через органы чувств.
У нас также есть чёткое ощущение общего прошлого, настоящего и будущего. Однако идея общего настоящего нигде не фигурирует в нашем фундаментальном описании реальности — теории относительности.
То, как именно распределяется чьё-то время, зависит от того, насколько быстро человек движется относительно вас или от силы гравитации, которую он испытывает. Эти эффекты заметны только при относительных скоростях, близких к скорости света, или при сверхсильной гравитации, поэтому они неочевидны в повседневной жизни.
Почему мы не видели никаких признаков инопланетян?
В 1950 году Энрико Ферми, человек, построивший первый ядерный реактор, обедал в столовой Лос-Аламосской лаборатории в Нью-Мексико и вдруг сказал: «Где все?». Все за столом прекрасно понимали, что он имел в виду.
Десятилетия спустя вопрос Ферми независимо друг от друга исследовали американские физики Майкл Харт и Фрэнк Типлер. Харт считал, что инопланетяне распространяются по всему Млечному Пути, а Типлер считал, что самовоспроизводящиеся машины, прибыв в планетарную систему, используют ресурсы для создания двух своих копий, которые продолжают путешествие. Оба пришли к выводу, что даже при умеренной скорости передвижения каждая звезда в Галактике будет посещена за долю времени существования Млечного Пути.
Как понял Ферми, инопланетяне должны быть здесь, на Земле. Но их здесь нет. Это стало «парадоксом Ферми». Были предложены сотни объяснений. Среди них — идеи о том, что мы — первый разум, возникший в Галактике, и поэтому мы совершенно одни, и что мы — мир-колыбель, закрытый для развитых цивилизаций, которые могут негативно повлиять на наше развитие.
Более приземлённая версия заключается в том, что парадокса нет, потому что любые следы посещения в далёком прошлом были бы стёрты ветром, дождями и геологическими процессами. Однако недавно группа учёных под руководством доктора Джонатана Кэрролла-Нелленбека из Рочестерского университета в Нью-Йорке предположила, что наше Солнце, возможно, просто прошло мимо волны внеземной экспансии.
Остаётся вопрос, почему мы не видели никаких признаков инопланетян в нашей Галактике, несмотря на более чем полувековые поиски с помощью телескопов. Однако команда из Университета штата Пенсильвания под руководством доктора Джейсона Райта утверждает, что в этом нет ничего загадочного: мы исследовали лишь малую часть Галактики, сравнимую с водой в джакузи по сравнению с океанами Земли.
Как проницательно заметил Дуглас Адамс в «Автостопом по галактике»: «Космос велик. Вы просто не поверите, насколько он велик, огромен, умопомрачительно велик».
