Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Для этого у нас есть веские основания. По сравнению с другими силами гравитация кажется весьма странной. Она выглядит совершенно иначе с математической точки зрения, и она слишком слабая. Разумеется, когда речь идет о массе, достаточной для формирования галактики или черной дыры, гравитация кажется довольно сильной. Но в повседневной жизни она представляет собой самую слабую из всех сил, с которыми вы имеете дело. Каждый раз, когда вы поднимаете кофейную чашку, вы преодолеваете гравитационное притяжение целой планеты. Для того чтобы гравитация начала хотя бы конкурировать с ядерными силами, удерживающими атомы вместе, необходимо сжать массу Солнца до размера города.

Но сравнение сил – это еще не все. Идея о том, что все фундаментальные взаимодействия могут представлять собой различные аспекты одного и того же явления на чрезвычайно высоких уровнях энергии, как правило, считается ключом к истинному пониманию, как работает физика. Мы надеемся разработать некую всеобъемлющую «теорию всего», которая объединяет гравитацию с остальными силами, действующими на элементарные частицы, и объясняет, ну, в общем… все.

Однако пока гравитация не спешит нам подыгрывать. У нас есть подтвержденная экспериментами теория электрослабого взаимодействия (объединяющая электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие). Кроме того, у нас есть несколько весьма многообещающих идей относительно Теории великого объединения, объединяющей электрослабое и сильное ядерное взаимодействия. Но каждый раз, когда мы пытаемся включить в теорию гравитацию, ее слабость разрушает всю картину. Даже если отвлечься от этого, гравитация и квантовая механика (которая описывает работу всех остальных сил) явно противоречат друг другу в предсказаниях о том, что должно происходить, например, на краю черной дыры. И если бы мы сумели привести гравитацию в соответствие с остальными силами, это нам очень помогло бы.

Для этого, судя по всему, есть несколько способов. Самый очевидный из них – отказаться от идеи объединения и позволить теории гравитации оставаться отдельной от всей физики. Вполне возможно, что никакой теории всего просто не существует, и мы никогда не сумеем собрать все эти фрагменты воедино. Однако мне как физику невыносима даже мысль об этом, так что предлагаю приберечь ее на крайний случай.

Гораздо более привлекательная и захватывающая идея состоит в том, что проблема заключается в нашей теории гравитации, и если скорректировать или заменить общую теорию относительности, все встанет на свои места. В этом направлении было предпринято множество впечатляющих и вполне обоснованных попыток. Теории квантовой гравитации, наиболее известными примерами которых являются теория струн и петлевая квантовая гравитация, по-прежнему активно обсуждаются теоретиками, стремящимися объединить гравитацию с физикой элементарных частиц и завязать все это струной. Или петлей. Ну, вы поняли. В каждом из этих сценариев мы получаем гравитацию, которая квантуется, то есть выражается в терминах частиц и полей, а не сил или искривления пространства. И эти частицы и поля хорошо сочетаются с квантовыми теориями поля, которые объясняют взаимодействия между кварками, электронами, фотонами и другими субатомными частицами. В этом случае гравитацию можно было бы представить как обмен частицами, называемыми гравитонами, подобно тому, как электромагнитное поле является результатом обмена фотонами. И гравитационные волны, которые мы в настоящее время описываем как растяжение и сжатие пространства-времени, также можно представить в виде движения гравитонов, проявляющих свою волнообразную природу.

К сожалению, несмотря на десятилетия кропотливого труда и чрезвычайно сложные расчеты, физики так и не пришли к единой теории. Мало того, что ни одна из выдвинутых идей не была подтверждена в ходе экспериментов с частицами, до сих пор даже не ясно, возможно ли это в принципе. В идеале мы сформулировали бы две теории, а затем выяснили, что они дают разные прогнозы для результатов экспериментов вроде тех, которые проводятся на Большом адронном коллайдере. Однако в данном случае перед нами стоит трудная задача сравнения теорий, эффекты которых становятся заметными лишь при энергиях, значительно превышающих все то, чего мы можем добиться, сталкивая частицы в ускорителе БАК.

Это заставило физиков предложить целый ряд решений, начиная от абстрактных аргументов, направленных на сужение диапазона возможных Вселенных, и заканчивая философскими дискуссиями о том, как добиться прогресса в областях, в которых получение экспериментальных доказательств может оказаться невозможным.

Тем из нас, кто возлагает надежды на новые данные, стоит поискать подсказки относительно теории всего в космологии, особенно в той ее области, которая посвящена изучению ранней Вселенной. Если вам нужны данные о взаимодействиях частиц при необычайно высоких энергиях, то найти новые способы исследования Большого взрыва, вероятно, будет значительно проще, чем построить ускоритель частиц размером с Солнечную систему.