Бъдещето на Вселената

Дарвинова лекция, изнесена в Кеймбриджския университет януари 1991г. Стивън Хокинг, "Черни дупки и бебета вселени", Издателство "Наука и изкуство, преводач Румяна Бикс.

“Тема на това есе е бъдещето на Вселената и по-точно представата на учените за него.
Разбира се, да се предвиди бъдещето е трудна задача. Някога си мислех, че трябва да напиша книга, озаглавена: Вчерашното утре: история на бъдещето. Тя трябваше да представлява история на предвижданията за бъдещето, макар всички те да са попадали твърде далеч от мишената. Но въпреки тези неуспехи учените продължават да вярват, че са в състояние да предвидят бъдещето.

В далечните времена предсказването на бъдещето е било работа на оракули и сибили. Често те са бивали жени, които трябвало да изпаднат в транс под въздействието на дрога или дишайки вулканични изпарения. После жреците тълкували техните бълнувания. Всъщност истинското умение се крие в тълкуването. Прочутият Делфийски оракул в древна Гърция бил известен със своите мъгляви и двусмислени предсказания. Когато спартанците го попитали какво ще стане, ако персийците нападнат Гърция, оракулът отговорил: Или Спарта ще бъде унищожена, или нейният цар ще бъде убит. Предполагам, че жреците са счели, че ако никоя от тези вероятности не се сбъдне, спартанците ще са толкова благодарни на Аполон, че ще пренебрегнат факта, че техният оракул е сбъркал. На практика царят бил убит при защитата на Термопилите в една битка, която спасила Спарта и довела до окончателното разгромяване на персийците.

При един друг случай кралят на Лидийското царство, Крез, най-богатият човек на света, попитал какво ще стане, ако нападне Персия. Отговорът бил: Едно велико царство ще падне. Крез решил, че това ще е Персийската империя, но се оказало, че пада собственото му царство, а самият той завършва на кладата.

По-късните пророци на съдбата са проявили по-голяма готовност да си сложат главата в торбата, посочвайки определени дати за края на света. Те дори се опитвали да окажат натиск върху борсата, макар че не ми e много ясно защо краят на света да e причина някой да иска да продаде акциите си за пари. Вероятно и на вас не ви е ясно.

Засега всички дати, посочени за край на света, минаха без инциденти. Но пророците често имат обяснение за очевидните си провали. Така например Уилям Милър, основоположникът на Адвентистите от Седмия ден, предсказал, че Второто пришествие ще настъпи между 21 март 1843 г. и 21 март 1844 г. Когато не се случило нищо подобно, датата била ревизирана на 22 октомври 1844 г. Когато и тя преминала без инциденти, било предложено друго тълкуване. Според него годината 1844 била началото на Второто пришествие, но първо трябвало да се броят имената в Книгата на живота. Едва тогава денят на Страшния съд щял да дойде за онези, които не са в Книгата. За щастие броенето, изглежда, отнема много време.
Разбира се, научните предвиждания вероятно не са много по - надеждни от тези на оракулите и пророците. Достатъчно е да споменем прогнозите за времето. Но има определени случаи, когато според нас сме в състояние да дадем надеждни прогнози, а бъдещето на Вселената в много едри мащаби е един от тях.

През последните триста години ние открихме научните закони, на които се подчинява материята във всички нормални ситуации. Все още не знаем точните закони, които управляват материята при крайно екстремни условия. Тези закони са важни, за да разберем как е започнала Вселената, но те не оказват влияние върху бъдещото й развитие, освен ако и докато тя не колалсира отново до състояние на висока плътност. На практика мярка за това, колко малко е влиянието на тези високо - енергийни закони върху Вселената, са големите суми, които сега трябва да харчим за построяването на гигантски ускорители на частици, за да проверим това влияние.

Но дори да знаем съответните закони, управляващи Вселената, може и да не успеем да ги приложим за предвиждане на далечното бъдеще. Причината е, че решенията на физичните уравнения вероятно ще покажат едно свойство, познато като хаос. Смисълът му е, че вероятно уравненията са неустойчиви: ако направим и незначително изменение в състоянието на една система в даден момент, следващото поведение на системата може бързо да стане съвсем различно. Така например, ако завъртим малко по-различно колелото на рулетката, ще се промени числото, на което ще спре. На практика е невъзможно да предвидим числото, на което спира; ако не беше така, физиците да са направили цяло състояние в казината.

При неустойчиви и хаотични системи обикновено има една времева скала, по която малка промяна в началното състояние нараства два пъти. За земната атмосфера тази времева скала е от порядъка на пет дни - почти толкова, колкото е необходимо на вятъра да обиколи света. Човек може да прави сравнително точни прогнози за времето за периоди до пет дни, но прогнозирането за доста по-дълъг период би изисквало и много точно познаване на сегашното състояние на атмосферата, и невъзможни по сложността си изчисления. Друг начин да прогнозираме времето за шест месеца напред, освен да посочим сезонни средни стойности, няма.

Ние познаваме и основните закони, управляващи химията и биологията, така че принципно би трябвало да сме в състояние да определим как функционира мозъкът. Но уравненията, които управляват мозъка, почти несъмнено имат хаотично поведение, т.е. съвсем малка промяна в началното състояние може да доведе до много различен изход. Така че на практика ние не сме в състояние да предвидим човешкото поведение дори да знаем уравненията, които го управляват. Науката не може да предвиди бъдещето на човешкото общество или дори дали то изобщо има бъдеще. Опасността е в това, че възможностите ни да ощетим или разрушим околната среда или самите себе си нарастват по-бързо от способността ни мъдро да използваме своите възможности.

Каквото и да става на Земята, останалата част от Вселената ще продължи съществуването си. Изглежда, че движението на планетите около Слънцето е изключително хаотично, макар и в продължителна времева скала. Това означава, че с течение на времето грешките в кое да е предвиждане нарастват. След определен момент точното предвиждане на това движение става невъзможно. Можем да бъдем достатъчно сигурни, че в един доста голям интервал от време близка среща между Земята и Венера няма да се осъществи, но не можем да сме сигурни, че малки пертурбации в орбитите няма да се сумират и да доведат до такава среща след милиард години. Движението на Слънцето и на другите звезди около Галактиката, а на Галактиката в Местната група галактики, също е хаотично. Ние наблюдаваме разбягването на другите галактики и колкото по-отдалечени са, толкова по-бързо се разбягват. Това значи, че Вселената в нашата околност се разширява: разстоянията между отделните галактики нарастват с времето.

Доказателство, че разширението е гладко и не е хаотично, ни дава фонът от микровълново излъчване. Това лъчение можете да наблюдавате сами, като включите телевизора си на празен канал. Част от снежинките, които ще видите на екрана, се дължи на микровълни, чийто източник е извън Слънчевата система. Това е същият вид лъчение като в микровълновата печка, но далеч по - слабо от него. То би стоплило храната само с 2,7 градуса над абсолютната нула, така че няма особена полза да си подгрявате пицата. Предполага се, че това излъчване е останало от един горещ ранен стадий на Вселената. Но най - учудващото в случая е, че количеството лъчение, изглежда, е почти еднакво от всички посоки. То е измерено много точно от спътника за изследване на космическия фон. Карта на небето, построена по тези наблюдения, би показала различни температури на излъчване. Тези температури не са еднакви в различните посоки, но отклоненията са съвсем малки - едва едно на сто хиляди. В микровълните от различните посоки трябва да има известни разлики, защото Вселената не е напълно гладка; съществуват локални неправилности като звезди, галактики и купове от галактики. Но вариациите в микровълновия фон са възможно най-малките, съвместими с локалните неравномерности, които наблюдаваме: в 99 999 от 100 000 случая микровълновият фон е еднакъв във всички посоки.

В древността хората вярвали, че Земята е център на Вселената. Ето защо вероятно не биха се изненадали, че фонът е еднакъв във всички посоки. След Коперник обаче бяхме понижени в ранг и свалени на една по - дребна планета, въртяща се около една съвсем средна звезда в покрайнините на една типична галактика, която е само една от стотиците милиарди галактики, които можем да видим. Вече сме толкова „средни", че не можем да претендираме за някакво особено положение във Вселената. Поради това трябва да приемем, че фонът е еднакъв във всички посоки и около всяка друга галактика. Това е възможно само ако средната плътност на Вселената и скоростта на разширение са еднакви навсякъде. Всяко отклонение от средната плътност или скоростта на разширение върху голям участък би довело до различие в микровълновия фон в различните посоки. Това значи, че при много големи мащаби поведението на Вселената е просто и не е хаотично. Ето защо то може да бъде предвидено далеч в бъдещето.

След като разширението на Вселената е толкова равномерно, можем да го опишем с едно-единствено число - разстоянието между две галактики. В сегашно време то нараства, но бихме могли да очакваме гравитационното привличане между отделните галактики да забави скоростта на разширение. Ако плътността на Вселената стане по-голяма от определена критична стойност, гравитационното привличане ще прекрати разширението и ще накара Вселената да започне да се свива отнобо. Вселената ще колапсира и ще стигне в Големия срив. Това ще бъде нещо като Големия взрив, при който е започнала. Големият срив ще бъде това, което се нарича сингулярност - състояние на безкрайна плътност, при което физичните закони се провалят. Това значи, че дори да има събития след Големия срив, не може да се предвиди какво става при тях. Но без причинно-следствена връзка между събитията не съществува разумен начин да кажем, че едно събитие е станало след друго. Освен това можем да кажем, че нашата Вселена е достигнала края си в Големия срив и че всички събития, настъпили „после", са част от друга, отделна Вселена. Нещо като прераждането. Какъв смисъл можем да придадем на твърдението, че 1 едно новородено е същото като някой, който е починал, ако бебето не наследява черти или спомени от предишния си живот? Със същата увереност можем да твърдим, че то е друг индивид.

Ако средната плътност на Вселената е по-малка от критичната стойност, тя няма да колапсира отново, а ще продължи да се разширява вечно. След определено време плътността ще стане толкова малка, че гравитационното привличане няма да оказва какъвто и да било забележим ефект върху забавянето на разширението. Галактиките ще продължат да се раздалечават с постоянна скорост.

И така съдбоносният въпрос за бъдещето на Вселената е: каква е средната плътност? Ако тя е по-малка от критичната стойност, Вселената ще продължи да се разширява вечно. Но ако е по-голяма, Вселената ще колапсира отново и времето ще свърши в Големия срив. Всъщност аз имам определено предимство пред пророците на съдбата. Дори Вселената да се кани да колапсира отново, мога уверено да предскажа, че тя няма да престане да се разширява поне още 10 милиарда години. Не очаквам да съм наблизо тогава, за да ме обвинят, че съм сбъркал.

Можем да се опитаме да изчислим средната плътност на Вселената чрез наблюдения. Ако преброим видимите за нас звезди и съберем техните маси, получаваме по-малко от 1% от критичната плътност. Дори ако прибавим масите на газовите облаци, които наблюдаваме във Вселената, пак ще стигнем общо до стойност само около 1% от критичната. Но ние знаем, че във Вселената се съдържа т.нар. тъмна материя, която не можем да наблюдаваме директно. Едно частично доказателство за тази тъмна материя идва от спиралните галактики. Това са огромни съвкупности от звезди и газове като палачинки. Ние наблюдаваме, че те се въртят около техните центрове, но скоростта на въртене е толкова висока, че ако съдържаха само звездите и газовете, които наблюдаваме, те биха се разлетели. Вероятно има някаква невидима форма на материята, чието гравитационно привличане е достатъчно силно, за да задържа галактиките, докато се въртят.

Друго доказателство за тъмната материя идва от куповете от галактики. Ние наблюдаваме, че галактиките не са равномерно разпределени в пространството, а са събрани в купове, съдържащи от няколко до милиони галактики. Вероятно тези купове са се образували, защото галактиките се привличат помежду си. Ние обаче можем да измерим скоростите, с , които отделните галактики се движат в тези купове. Оказва се, че те са толкова високи, че куповете биха се разлетели, ако не ги задържаше гравитационното привличане. Необходимата маса е значително по-голяма от масите на всичките галактики. Това е така дори ако приемем, че галактиките притежават онези маси, които са необходими да ги задържат, докато се въртят. Оттук следва, че в куповете от галактики извън видимите за нас галактики би трябвало да има допълнителна тъмна материя.

Ние сме в състояние да получим сравнително надеждна оценка на количеството тъмна материя в тези галактики и купове, за които имаме определено доказателство. Но тази оценка води само до около 10 % от критичната плътност, необходима на Вселената отново да колапсира. Така че ако просто се задоволим с наблюдателни доказателства, можем да предвидим, че Вселената ще продължи да се разширява вечно. След около 5 млрд. години Слънцето ще изчерпи своето ядрено гориво. То ще набъбне и ще се превърне в т.нар. червен гигант, докато накрая погълне Земята и другите по-близки планети. После ще се успокои и ще се превърне в звезда - бяло джудже с диаметър само няколко хиляди мили. Така предвиждам края, но не все още. Не мисля, че това предвиждане ще внесе кой знае каква депресия в борсата. На хоризонта има един-два по - близки проблема. Във всеки случай до момента, когато Слънцето ще избухне, вече ще сме усвоили изкуството на междузвездните пътешествия, при условие че преди това не сме се самоунищожили.

След около 10 млрд. години повечето от звездите във Вселената ще са угаснали. Звездите с маса като слънчевата ще станат или бели джуджета, или неутронни звезди, които са още по-малки и по-плътни от белите джуджета. По-масивните звезди може да се превърнат в черни дупки, които са още по-малки и имат силно гравитационно поле, така че светлината не може да се освободи. Тези останки обаче ще продължават да се въртят около центъра на нашата Галактика веднъж на всеки 100 млн. години. Близки срещи между останките ще запратят някои извън Галактиката. Останалите ще се успокоят на по - близки орбити около центъра и накрая ще се съберат да образуват гигантска черна дупка в центъра на Галактиката. Каквато и да е тъмната материя в галактиките и куповете, можем да очакваме и тя да падне в тези огромни, черни дупки.

Поради това можем да приемем, че по-голямата част от материята в галактиките и куповете ще намери края си в черните дупки. Наскоро обаче установих, че черните дупки са представени в прекалено черни краски. Според принципа на неопределеността от квантовата механика частиците не могат да имат едновременно и добре определено положение, и добре определена скорост. Колкото по-точно определяме положението на частицата, толкова по - неточно ще можем да определим скоростта й и обратно. Ако една частица е в черна дупка, нейното положение е добре дефинирано: тя е вътре в черната дупка. Това означава, че скоростта й не може да се определи точно. Поради това е възможно скоростта на частицата да е по-голяма от скоростта на светлината. Това би й позволило да се освободи от черната дупка. По този начин от една черна дупка постепенно изтичат частици и лъчение. Черна дупка в центъра на галактика трябва да има диаметър милиони мили. Следователно неопределеността в положението на една частица в нея ще е голяма. Ето защо неопределеността в скоростта на частицата ще е малка, което значи, че освобождаването на една частица от черната дупка ще отнеме много време. Но накрая това ще стане. Голяма черна дупка в центъра на Галактиката вероятно ще изисква около 1090 години, за да се изпари и да изчезне напълно. Това е далеч повече от сегашната възраст на Вселената, която е приблизително 1010 години. Все още имаме достатъчно време, ако Вселената вечно ще се разширява.

Бъдещето на една Вселена, разширяваща се вечно, би било прекалено скучно. Но в никакъв случай не е сигурно, че Вселената ще се разширява вечно. Ние разполагаме с очевидно доказателство за около една десета от плътността, необходима да накара Вселената да колапсира отново. Но е възможно да има и други видове тъмна материя, които не са установени и които биха увеличили средната плътност на Вселената до или над критичната стойност. Тази допълнителна тъмна материя би трябвало да се намира извън галактиките и куповете от галактики. В противен случай бихме забелязали ефекта й върху въртенето на галактиките или движенията им в куповете.

Защо смятаме, че е възможно да има достатъчно тъмна материя, която да накара Вселената накрая да колапсира отново? Защо не вярваме само в материята, за която имаме определено доказателство? Причината е, че дори при една десета от критичната плътност сега ще се наложи да бъдем невероятно предпазливи при избора на началната плътност и скоростта на разширение. Ако плътността на Вселената една секунда след Големия взрив беше и с една трилионна част по-голяма, Вселената би колапсирала след 10 години. От друга страна, ако плътността на Вселената тогава би била само с толкова по-малка, Вселената щеше да е почти празна, защото щеше да е на около 10 години.

Как е станало така, че началната плътност на Вселената е била толкова грижливо подбрана? Може би е имало някаква причина плътността й да е точно критичната? Възможните обяснения са две. Едното е т.нар. антропен принцип, който можем да перифразираме така: Вселената е такава, каквато е, защото, ако беше друга, нямаше да сме тук да я наблюдаваме. Идеята е, че е възможно да е имало множество различни вселени с различни плътности. Но само онези, чиято плътност е била много близка до критичната, биха се задържали достатъчно дълго и биха съдържали достатъчно материя, за да се образуват звезди и планети. Само в тях би имало разумни същества, които да зададат въпроса: защо плътността е толкова близка до критичната? Ако това е обяснението за сегашната плътност на Вселената, няма причини да мислим, че във Вселената има повече материя от тази, която вече сме открили. Една десета от критичната плътност ще е достатъчна за образуването на галактики и звезди.

На мнозина обаче не им хареса антропният принцип, защото им се стори, че той придава прекалено голямо значение на собственото ни съществуване. Поради това започнаха да търсят друго обяснение на въпроса, защо плътността трябва да е толкова близка до критичната стойност. Това доведе до създаването на теорията за инфлация в ранната Вселена. Идеята е, че размерите на Вселената вероятно са се удвоявали по същия начин, както цените се удвояват на всеки няколко месеца в страни с галопираща инфлация. Но инфлацията на Вселената би трябвало да е била много по-бърза и по-рязка: едно нарастване с коефициент поне 1027 пъти при лека инфлация би довело Вселената до почти точната критична плътност, която и сега би трябвало да бъде съвсем близка до критичната плътност. Следователно, ако теорията на инфлацията е правилна, Вселената трябва да съдържа достатъчно количество тъмна материя, за да достигне критичната плътност. Това означава, че вероятно в крайна сметка Вселената ще претърпи повторен колапс, но не по - рано от 15.109 години, за което време се е разширявала.

Какво трябва да представлява тази тъмна материя, ако теорията на инфлацията е вярна? Вероятно тя ще се различава от нормалната материя, от която са съставени звездите и планетите. Можем да изчислим количеството различни леки елементи, които вероятно са се образували в горещите ранни стадии на Вселената през първите три минути след Големия взрив. То зависи от количеството нормална материя във Вселената. Да построим графика, в която да разположим по ординатата количеството леки елементи, а по абсцисата количеството нормална материя. Добро съгласие с наблюдаваното обилие има, ако общото количество нормална материя е само една десета от сегашното критично количество. Може би тези изчисления са погрешни, но фактът, че получаваме наблюдаваното обилие за няколко различни елемента, е твърде впечатляващ.

Ако има критична плътност на тъмната материя, основните кандидати за това, какво представлява тя, ще бъдат останките от ранните стадии на Вселената. Една възможност са елементарните частици. Има няколко хипотетични кандидата: частици, които предполагаме да съществуват, но все още не сме ги открили. Най-обещаваща обаче е една частица, за която разполагаме с добро доказателство: неутриното. Предполагаше се, че тя няма собствена маса, но някои наскоро проведени наблюдения показаха, че вероятно неутриното има някаква малка маса. Ако това се потвърди и се установи, че е подходяща, неутрината биха осигурили достатъчна маса, която да доведе плътността на Вселената до критичната стойност.

Друга възможност са черните дупки. Съществува вероятност ранната Вселена да е претърпяла т.нар. фазов преход. Примери за фазов преход са кипенето и замръзването на водата. При фазовия преход в една първоначално хомогенна среда, каквато е водата, се развиват отклонения в хомогенността, които при водата могат да бъдат парченца лед или мехурчета пара. Тези нехомогенности е възможно да колапсират и да образуват черни дупки. Ако черните дупки бяха много малки, досега щяха да са се изпарили поради ефектите на принципа на неопределеността от квантовата механика, както вече описах. Но ако масата им е над няколко милиарда тона (масата на планина), те и сега вероятно ще са наоколо и ще е много трудно да ги открием.

Единственият начин да открием тъмна материя, разпределена равномерно из Вселената, е чрез нейния ефект върху разширението на Вселената. Можем да определим в каква степен се забавя разширението, като измерим скоростта, с която отдалечените галактики се разбягват от нас. Ключът е в това, че ние наблюдаваме тези галактики в далечното минало, когато светлината ги е напуснала и се е насочила към нас. Да построим графика на зависимостта между скоростта на галактиките и видимия им блясък, или звездната величина, която е мярка за разстоянието им от нас. Различни линии върху тази графика ще отговарят на различни темпове на забавяне на разширението. Обърната нагоре крива ще отговаря на Вселена, която ще колапсира отново. На пръв поглед сякаш наблюденията сочат повторен колапс. Но бедата е там, че видимият блясък на една галактика не е много добро указание за разстоянието й от нас. Съществуват не само значителни промени в собствения им блясък, а и доказателство, че светимостта на галактиките се променя с времето. Тъй като не знаем каква е еволюцията на блясъка, все още не можем да кажем какъв е темпът на забавяне: дали е достатъчен, за да колапсира отново Вселената, или тя ще продължи да се разширява вечно. Този въпрос ще трябва да почака до момента, когато създадем по-добри методи за измерване на разстоянията до галактиките. Но можем да бъдем сигурни, че темпът на забавяне не е толкова бърз, че Вселената да колапсира в близките няколко милиарда години.

Нито вечното разширение, нито повторното колапсиране за около стотина милиарда години са кой знае колко вълнуваща перспектива. Няма ли как да направим бъдещето по-интересно? Един вариант, който ще ни гарантира с положителност това, е да се насочим към черна дупка. Тази черна дупка трябва да е доста големичка - масата й да е над милион пъти по-голяма от слънчевата. Има голям шанс такава черна дупка да съществува в центъра на нашата Галактика. Още не сме съвсем сигурни какво става обаче вътре в една черна дупка.

Съществуват решения на уравненията от общата теория на относителността, които допускат да влезем в черна дупка и да излезем някъде другаде през бяла дупка. Бялата дупка е обратното време на една черна дупка. Тя е обект, от който е възможно да се излезе, но в който нищо не може да влезе. Бялата дупка вероятно е друга част от Вселената. Дали това не предлага възможности за бързи междугалактични пътешествия? Лошото е, че те могат да се окажат прекалено бързи. Ако пътешествията през черни дупки бяха възможни, вероятно нищо нямаше да попречи да пристигнете обратно, преди още да сте тръгнали. Тогава бихте могли например да убиете собствената си майка, която, първо на първо, нямаше да ви пусне на пътешествието.

Може би поради обстоятелства, благоприятни за оцеляването ни (а също и на нашите майки), законите на физиката не допускат такова пътуване във времето. Сигурно има някаква Агенция за защита на хронологията, която не разрешава да се пътува в миналото и така съхранява света за историците. Вероятно, ако тръгнем към миналото, ефектите на принципа на неопределеността ще предизвикат голямо количество излъчване. Това излъчване или ще изкриви в такава степен пространство - времето, че ще стане невъзможно да вървим назад във времето, или ще доведе до край на пространство - времето в една сингулярност като тази на Големия взрив или Големия срив. Но и в двата случая нашето минало ще бъде предпазено от злонамерени лица. Хипотезата за Агенция за защита на хронологията се подкрепя от наскоро направените от мен и други пресмятания. Но най-доброто доказателство, че пътешествията във времето са невъзможни и никога няма да станат възможни, е, че не сме свидетели на нашествие от туристически орди от бъдещето.

И да обобщим: Според учените Вселената се управлява от добре дефинирани закони, които по принцип позволяват да се предвиди бъдещето. Но движението съгласно тези закони е често хаотично. Това означава, че незначителна промяна в началното състояние може да доведе до бързо нарастваща промяна в последващото поведение. Поради това често възможностите ни да предвиждаме се ограничават до сравнително кратък период в бъдещето. Поведението на Вселената в големи мащаби обаче, изглежда, е просто, а не хаотично. Това позволява да предвидим дали Вселената ще се разширява вечно, или накрая ще колапсира отново. Всичко зависи от сегашната плътност на Вселената. На практика сегашната плътнаст на Вселената, изглежда, е много близка до критичната стойност, разделяща повторния колапс от безкрайното разширение. Ако теорията на инфлацията е правилна, Вселената вероятно се движи по острието на бръснача. Затова и аз в добрите традиции на оракулите и пророците ще заложа и на двете възможности.”