У многих людей при слове "вселенная" представляется огромное пустое пространство, наполненное огромным количеством галактик, звезд, планет и астероидов, расположенных на больших расстояниях. Но убрав абсолютно все космические объекты и всякого рода частицы, что у нас останется? Ничего? Однако это не так, как может показаться на первый взгляд. Даже при удалении всех объектов мы не останемся с пустотой, ведь Вселенная будет генерировать новые формы жизни. Но как это возможно?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам следует помнить тот факт, что Вселенная имеет свойство расширяться, из-за чего неизбежно производится излучение. Даже если рассматривать далекое будущее или Вселенную до Большого взрыва, она не была и не будет по-настоящему пустой.
Если бы у нас были гораздо более развитые технологии, мы могли бы изучить неизвестные нам явления и в конечном итоге собрать "пазл", чтобы узнать ответы на множество вопросов, которые по сей день остаются без ответа. Все, что мы сейчас видим, происходит не в статичной Вселенной, а в той, что развивается с течением времени.
В глобальном масштабе структура нашей Вселенной — пространство-время — находится в процессе расширения. Например, если вы поместите любые две точки в нашем пространстве-времени, то в будущем вы обнаружите, что расстояние между ними увеличилось и будет продолжать увеличиваться.
Стоит также понимать, что Вселенная не только расширяется, но и одновременно охлаждается. Это происходит потому, что свет смещается в сторону длинных волн, вследствие чего он будет смещаться и в сторону низких температур. Если брать точку старта, то Вселенная, в отличие от нашего времени, была более горячей, нежели сегодня. Все-таки, представим, что мы удалили все частицы и объекты в космосе. Как упоминалось ранее, в процессе расширения будет генерироваться излучение, что вновь приведет нас к тому, что через солидный промежуток времени начнут формироваться из энергии более сложные объекты. Это самое близкое, что вы можете получить в нашем понимании небытия. И все же есть физические правила, которым она должна подчиняться.
Удаление чего-либо создаст нефизическое состояние, которое не описывает космос, в котором мы ведем свою жизнь. Это означает, что темная энергия все еще существовала бы в той Вселенной, из которой мы все удалили. В теории, если мы можем взять каждое поле и привести его к конфигурации с наименьшей энергией, то мы дойдем до того, что называется энергией нулевой точки пространства. Это будет значить, что никакой энергии мы больше не сможем извлечь и использовать для любой механической работы. В нашей "пустой" Вселенной с темной энергией или с нулевой энергией нет причин делать вывод о том, что нулевая энергия на самом деле равна нулю. На самом деле в нашей Вселенной наблюдается 1 ГэВ энергии на кубический метр пространства.
В очень далеком будущем Вселенная будет вести себя так, будто энергия нулевой точки — единственное, что в ней осталось. Это связано с тем, что со временем все звезды истратят свою энергию, черные дыры поглотят космические объекты, а позже и вовсе распадутся.
К идее о том, что черные дыры могут распадаться, подошел Стивен Хокинг. Почему же черные дыры испаряются? Несмотря на то что черная дыра поглощает абсолютно все и даже свет, она также излучает энергию. Энергия преобразуется из массы при помощи формулы Эйнштейна E=mc².
Напомним, что у черной дыры есть своя структура: из нее можно выделить горизонт событий — это граница, за которой мы никак не сможем провести наблюдения или получить какие-либо сигналы.
Ближе к нему пространство сильно искривлено; соответственно на расстоянии менее заметны искривления. Эта разница соответствует разногласиям о том, какова энергия нулевой точки пространства. Кто-то, находящийся близко к горизонту событий, увидит, что его "пустое пространство" отличается от "пустого пространства" другого человека, находящегося дальше. Это создает большую проблему, так как квантовые поля непрерывны и занимают все пространство.
Главное, что нужно понимать, это то, что нахождение в любом месте за пределами горизонта событий предполагает существование как минимум одного возможного пути, по которому свет может попасть в любое другое место, также находящееся за пределами горизонта событий. Разница в нулевой энергии между двумя этими точками, как говорил Хокинг, означает, что излучение будет испускаться из области черной дыры, где пространство искривлено сильнее всего. Наличие горизонта событий черной дыры является важной особенностью, поскольку это означает, что энергия, необходимая для производства излучения вокруг этой черной дыры, должна поступать из массы самой черной дыры согласно формуле Эйнштейна E = mc².
Хотя некоторые убедительно доказывают, что возможно производить это излучение без горизонта событий. Кроме того, спектр излучения представляет собой абсолютно черное тело, температура которого определяется массой черной дыры: меньшие массы более горячие, а более тяжелые — более холодные.
Расширяющаяся Вселенная, конечно, не имеет горизонта событий, поскольку это не черная дыра. Однако у нее есть нечто аналогичное: космический горизонт. Если вы находитесь в любом месте пространства-времени и рассматриваете наблюдателя в другом месте пространства-времени, вы могли бы сразу подумать: «О, должен быть по крайней мере один возможный путь, по которому может пройти свет, который соединяет меня с этим другим наблюдателем». Но в расширяющейся Вселенной это не обязательно так. Вы должны располагаться достаточно близко друг к другу, чтобы расширение пространства-времени между этими двумя точками не препятствовало поступлению излучаемого света. В нашей современной Вселенной это соответствует расстоянию примерно в 20 миллиардов световых лет. Если бы мы излучали свет прямо сейчас, любой наблюдатель в пределах 20 миллиардов световых лет от нас мог бы в конечном итоге получить его; любой, кто находится дальше, никогда не смог бы из-за продолжающегося расширения Вселенной.
Мы можем видеть дальше этого, потому что многие источники света были испущены давным-давно. Самый ранний свет, который приходит прямо сейчас, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, исходит из точки, которая в настоящее время находится примерно в 46 миллиардах световых лет. Если бы мы были готовы ждать вечность, мы в конечном итоге получили бы свет от объектов, которые в настоящее время находятся на расстоянии примерно в 61 миллиард световых лет — это предел.
С точки зрения любого наблюдателя существует космологический горизонт: точка, за пределами которой связь невозможна, поскольку расширение пространства не позволит наблюдателям в этих местах обмениваться сигналами после определенного момента времени. И точно так же, как существование горизонта событий черной дыры приводит к созданию излучения Хокинга, существование космологического горизонта также должно — если должны соблюдаться те же законы физики — создавать излучение. В этом случае прогноз заключается в том, что Вселенная будет заполнена чрезвычайно низкоэнергетическим излучением, длина волны которого в среднем сопоставима с размером космического горизонта. Это означает температуру около 10^-30 К: на тридцать порядков слабее текущего космического микроволнового фона.
Поскольку Вселенная продолжает расширяться и остывать, в далеком будущем наступит время, когда это излучение станет доминирующим над всеми другими формами материи и излучения во Вселенной; только темная энергия останется более доминирующим компонентом. Но есть и другое время во Вселенной — не в будущем, а в далеком прошлом — когда во Вселенной также доминировало что-то иное, чем материя и излучение: во время космической инфляции. До того как произошел горячий Большой взрыв, наша Вселенная расширялась с огромной и неумолимой скоростью. Вместо того чтобы доминировать материей и излучением, в нашем космосе доминировала полевая энергия инфляции: как и сегодняшняя темная энергия, но на много порядков больше по силе и скорости расширения.
Хотя инфляция растягивает Вселенную и расширяет любые уже существующие частицы друг от друга, это не обязательно означает, что температура приближается и асимптотикуется к абсолютному нулю в короткие сроки. Вместо этого, вызванное расширением излучение, как следствие космологического горизонта, должно фактически достигать пика в инфракрасных длинах волн, что соответствует температуре около ~100 К, или достаточно горячей, чтобы вскипятить жидкий азот. Это означает, что если вы когда-нибудь захотите охладить Вселенную до абсолютного нуля, вам нужно будет полностью остановить ее расширение.
Пока сама ткань пространства имеет ненулевое количество внутренней энергии, она будет расширяться. Пока Вселенная неуклонно расширяется, будут области, разделенные столь большим расстоянием, что свет, независимо от того, как долго мы ждем, не сможет достичь одной такой области из другой. И пока определенные области будут недостижимы, у нас будет космологический горизонт в нашей Вселенной и ванна теплового низкоэнергетического излучения, которая никогда не может быть удалена.
Что еще предстоит определить, так это то, приведет ли эта форма космического излучения, как и излучение Хокинга, к тому, что черные дыры в конечном итоге испарятся, или к фундаментальному распаду темной энергии нашей Вселенной. Неважно, насколько ясно вы можете представить себе пустую Вселенную, в которой ничего нет — эта картина просто не соответствует реальности. Настаивать на том, что законы физики остаются в силе, достаточно, чтобы покончить с идеей действительно пустой Вселенной. Пока в ней существует энергия — даже нулевой энергии квантового вакуума достаточно — всегда будет какая-то форма излучения, которую невозможно удалить. Вселенная никогда не была полностью пустой, и пока темная энергия не распадется полностью, она никогда ею не станет.