Черные дыры и молодые вселенные

В древние времена люди верили, что Земля находится в центре Вселенной. И потому они бы не удивились, что фон со всех сторон одинаков. Однако со времен Коперника нас понизили до одной из малых планет, вращающихся вокруг очень заурядной звезды на окраине обыкновенной галактики – одной из ста миллиардов видимых нами. Теперь мы стали настолько скромны, что не можем претендовать на особое положение во Вселенной, и потому должны допустить, что фон одинаков во всех направлениях почти в любой галактике. Это возможно только в том случае, если средняя плотность Вселенной и скорость ее расширения везде одинаковы. Любое отклонение средней плотности или скорости расширения в большой области привело бы к тому, что фон с разных направлений различался бы. Из этого следует, что в очень большом масштабе поведение Вселенной просто и нехаотично и потому можно делать предсказания на далекое будущее.

Поскольку расширение Вселенной столь равномерно, его можно описать одним числом – расстоянием между двумя галактиками. В настоящее время оно возрастает, но можно предположить, что гравитационное притяжение между разными галактиками замедляет это возрастание. Если плотность Вселенной больше некоторой критической величины, гравитационное притяжение в конце концов остановит расширение и снова заставит Вселенную сжиматься. Произойдет Большое Сжатие. Это будет подобно Большому Взрыву, с которого Вселенная началась. Большое Сжатие окажется так называемой сингулярностью – состоянием с бесконечной плотностью, в котором нарушаются физические законы. Это означает, что даже если бы после Большого Сжатия были какие-то события, предсказать их невозможно. Но без причинной связи между событиями нет никакого осмысленного способа определить, что за чем последует. Наша Вселенная может даже закончиться Большим Сжатием, и тогда любое событие «после» этого будет частью другой, особой Вселенной. Это немного напоминает перевоплощение, реинкарнацию. Какое значение можно придавать утверждению, будто новорожденный ребенок – тот же человек, что и умерший, если ребенок не унаследовал никаких свойств и никаких воспоминаний из своей предыдущей жизни? Точно так же можно сказать, что это другая личность.

Если средняя плотность Вселенной меньше критического значения, она не будет сжиматься, а ее расширение продолжится. Через какое-то время ее плотность станет так мала, что гравитационное притяжение не будет оказывать существенного влияния на скорость расширения, и галактики продолжат разлетаться с постоянной скоростью.

Значит, ключевой вопрос относительно будущего Вселенной состоит в том, какова ее средняя плотность. Если она меньше критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, но если больше, то она снова захлопнется, и само время тоже закончится в Большом Сжатии. Однако у меня есть некоторое преимущество перед предсказателями судеб. Даже если Вселенной суждено сжаться, я могу с уверенностью предсказать, что расширение не остановится еще по крайней мере десять миллиардов лет. Не думаю, что кто-то уличит меня в ошибке.

Среднюю плотность Вселенной мы можем попытаться оценить по наблюдениям. Если пересчитаем видимые звезды и сложим их массы, то получим менее одного процента от критической плотности. Даже если мы присовокупим массу газовых облаков, наблюдаемых во Вселенной, это увеличит сумму примерно на один процент от критического значения. Однако мы знаем, что Вселенная содержит так называемую темную материю, которую нельзя увидеть непосредственно. Частично свидетельства о такой темной материи приходят из спиральных галактик. Это огромные скопления звезд и газа, имеющие форму сковороды. Мы наблюдаем, как они вращаются вокруг своего центра, но скорость вращения очень велика, и если бы они содержали только видимые звезды и газ, то разлетелись бы. Там должна быть какая-то невидимая форма материи, гравитационное притяжение которой достаточно велико, чтобы при вращении удержать галактики в целости.

Другие свидетельства о темной материи поступают из скоплений галактик. Мы наблюдаем, что галактики в пространстве распределены не равномерно – они собираются в скопления, насчитывающие от нескольких галактик до миллиона. Предположительно, эти скопления сформировались потому, что галактики притягиваются друг к другу. Однако мы можем измерить скорость, с которой в этих скоплениях движутся отдельные галактики. Оказывается, скорости так высоки, что скопления разлетелись бы, не сдерживай их гравитационное притяжение. Это случится, даже если галактики имеют достаточную массу, чтобы сохранить свою целостность при вращении. Отсюда следует, что в скоплениях галактик должна быть дополнительная, темная, материя, кроме той, что мы видим.