Эпидемиологические ограничения заставили Perimeter Institute перенести свои знаменитые публичные лекции в онлайн-формат, открыв новые возможности для мировой аудитории. Исполнительный директор института по развитию Грег Дик встретился в дистанционном эфире с известным астрофизиком Кэти Мак (Katie Mack), чтобы обсудить фундаментальные сценарии гибели Вселенной. Дискуссия коснулась не только космологических моделей, описанных в ее новой книге «Конец всего (астрофизически выражаясь)», но и природы научных открытий, феномена научной коммуникации и возможности того, что пространство и время являются лишь иллюзией.
🌌 Сценарии гибели Вселенной: от тепловой смерти до Большого сжатия 8:33
По словам Кэти Мак, долгое время ученые полагали, что гравитационное притяжение галактик должно постепенно замедлять расширение Вселенной, начавшееся со Большого взрыва. Однако астрономические измерения показали обратное: расширение не просто продолжается, а ускоряется под действием таинственной силы, получившей название «темная энергия». На основе текущих наблюдений астрофизик выделяет тепловую смерть (Heat Death) как наиболее вероятный и долгосрочный сценарий финала космоса.
В рамках этого сценария темная энергия, описываемая как космологическая постоянная, заставит галактики удаляться друг от друга так быстро, что со временем каждая группа галактик окажется в полной изоляции. Без притока свежего газа прекратится формирование новых звезд, старые светила постепенно выгорят, субатомные частицы распадутся, а черные дыры испарятся через излучение Хокинга. Вселенная превратится в холодное, темное и абсолютно пустое пространство, где останется лишь ничтожное количество остаточного теплового излучения.
Альтернативным и гораздо более тревожным сценарием Кэти Мак называет Большое сжатие (Big Crunch). Этот вариант предполагает, что в будущем расширение Вселенной может смениться сжатием. В таком случае человечество буквально смогло бы увидеть приближение катастрофы:
- Галактики начнут стремительно сближаться друг с другом.
- Хотя сами столкновения звезд маловероятны из-за огромных расстояний между ними, космический газ сожмется и вызовет мощные вспышки звездообразования.
- Опасность будут представлять участившиеся взрывы сверхновых вблизи обитаемых миров.
Как утверждает исследовательница, самым страшным фактором Большого сжатия станет экстремальный нагрев космического фонового излучения, которое сейчас составляет всего около 3,7 Кельвина. При сжатии пространства эта радиация уплотнится и разогреется до такой степени, что начнет буквально выжигать поверхности звезд, провоцируя на них спонтанные термоядерные взрывы. В результате вся материя Вселенной окажется «сваренной» в колоссальном космическом котле.
💥 Самый непредсказуемый финал: как устроен распад вакуума 14:59
Среди всех теоретических моделей Кэти Мак выделяет распад вакуума (Vacuum Decay) как свой любимый сценарий, поскольку он может произойти абсолютно внезапно и в любой момент. Суть гипотезы заключается в том, что наша Вселенная может находиться в состоянии так называемого ложного (метастабильного) вакуума. Это напоминает предмет, сбалансированный на краю стола: он стабилен, но обладает скрытым потенциалом упасть на пол — в состояние истинного, энергетически более выгодного вакуума.
Физика этого процесса неразрывно связана с полем Хиггса и одноименным бозоном, открытым на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Поле Хиггса пронизывает все пространство и определяет массы элементарных частиц. Если текущее состояние поля метастабильно, существует теоретический риск его перехода на более низкий энергетический уровень. Обычный энергетический барьер между ложным и истинным вакуумом слишком велик, чтобы его пробил какой-либо физический процесс, но в дело вступают законы квантовой механики.
Благодаря эффекту квантового туннелирования, частицы или целые поля способны «просачиваться» сквозь непреодолимые барьеры без необходимости получать дополнительную энергию. Подобное явление регулярно наблюдается в микромире и используется, например, в работе флеш-памяти. Если поле Хиггса совершит такое туннелирование в одной точке пространства, возникнет так называемый пузырь истинного вакуума.
Этот пузырь начнет расширяться во все стороны со скоростью света, мгновенно перестраивая законы физики на своем пути. Внутри пузыря:
- Константы природы полностью изменятся.
- Атомы потеряют стабильность и не смогут удерживаться вместе.
- Пространство вокруг и внутри структуры подвергнется гравитационному коллапсу.
Тем не менее, Кэти Мак предлагает не поддаваться панике. Согласно теоретическим расчетам, время ожидания такого распада составляет порядка $10^{100}$ лет, что намного превышает нынешний возраст Вселенной. Кроме того, поскольку разрушительный пузырь движется со скоростью света, его приближение невозможно заметить, а сама смерть наступит быстрее, чем нервные импульсы человека успеют зафиксировать боль. По мнению астрофизика, это делает распад вакуума максимально безболезненным и чистым способом прекращения существования всего сущего.
🏃♀️ За кулисами науки: спорт, Twitter и доверие к экспертам 29:18
Помимо космологии, собеседники обсудили личную жизнь и публичную деятельность исследовательницы. Как выяснилось из недавних публикаций в соцсетях, Кэти Мак в студенческие годы была успешной спортсменкой. Обучаясь в Калифорнийском технологическом институте (Caltech), она установила рекорды вуза в прыжках в высоту и семиборье, а также занималась метанием копья. Спикер подчеркивает, что спорт помогал ей разгружать мозг и избегать ментального выгорания от постоянных занятий теоретической физикой.
Сегодня Кэти Мак известна как крупный научный блогер под псевдонимом @astrokatie, имеющий сотни тысяч подписчиков в Twitter. Ее медийная карьера началась во время постдокторантуры в Кембридже, когда она увидела, как коллега транслирует научную конференцию в соцсеть. Для нее это стало откровением, и она начала практиковать аналогичный подход. Блог помог ей понять, какие аналогии работают для широкой аудитории, а какие темы вызывают наибольшие трудности. Кэти Мак признает, что огромная аудитория накладывает на нее жесткую ответственность: она тщательно проверяет надежность информации и принципиально избегает публичных нападок на обычных пользователей.
Отвечая на вопрос зрителей о том, как доносить доказательную науку до людей, которые не доверяют экспертам или занимают антинаучные позиции, исследовательница высказала важное мнение:
«Большинство людей на самом деле любят науку и доверяют ученым. Проблемы начинаются тогда, когда выводы науки противоречат личным ценностям человека или когда у людей возникают сомнения в истинных мотивах исследователей».
По мнению Мак, популяризаторам ни в коем случае нельзя занимать позицию интеллектуального превосходства в стиле «вы обязаны верить нам, потому что мы умнее». Вместо этого необходимо подробно объяснять сам внутренний процесс науки, демонстрировать, как исследователи ищут истину, проверяют гипотезы через рецензирование и насколько они увлечены своей работой. Это помогает очеловечить образ ученого и выстроить подлинное общественное доверие.
🔬 Эволюция физических теорий: от инфляции до границ теории относительности 37:37
Процесс развития науки наглядно иллюстрируется историей создания теории космической инфляции. Разработанная Аланом Гутом (Alan Guth) и его коллегами в начале 1980-х годов, эта гипотеза постулировала, что в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная расширилась на колоссальную величину за ничтожную долю секунды.
Кэти Мак отмечает, что первоначальный математический механизм, предложенный Гутом, содержал критическую ошибку — инфляция в его модели не могла правильно завершиться, чтобы сформировать наблюдаемую сегодня Вселенную. Однако сама идея была настолько многообещающей, что другие физики подхватили этот «зерно истины» и разработали так называемую «новую инфляцию», предложив иные, работающие механизмы. Это доказывает, что научный прогресс часто бывает инкрементальным: даже ошибочная в деталях теория может подтолкнуть сообщество к верному открытию.
Аналогичная преемственность прослеживается между ньютоновской гравитацией и общей теорией относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Физика Исаака Ньютона прекрасно справляется с бытовыми расчетами вроде траектории пушечного ядра или движения Луны. Однако, когда астрономы зафиксировали аномалии в орбите Меркурия и научились измерять искажения пространства вокруг массивных объектов, потребовалась ОТО. Эйнштейн переосмыслил гравитацию, заявив, что это не сила взаимодействия между телами, а геометрическое искривление самой ткани пространства-времени массивными объектами.
Как напоминает Мак, триумф ОТО был подтвержден экспериментально во время полного солнечного затмения, когда ученые зафиксировали отклонение лучей звездного света гравитационным полем Солнца. Сегодня перед физиками стоит сложнейшая задача — найти предел применимости теории Эйнштейна. По мнению теоретиков, ОТО обязана где-то сломаться — будь то в сингулярности черных дыр или в условиях ранней Вселенной, — и именно эта точка слома укажет направление к созданию новой, более фундаментальной физической теории. Однако на текущий момент никаких экспериментальных отклонений от предсказаний Эйнштейна обнаружить не удалось.
🕳️ Тайны черных дыр и иллюзия пространства-времени 45:15
Приближаясь к финалу беседы, Грег Дик озвучил вопрос от интернет-пользователей о судьбе материи, падающей в черную дыру. Кэти Мак пояснила, что как только объект пересекает горизонт событий (точку невозврата), у него остается единственный путь — к сингулярности, точке бесконечной плотности в самом центре. Проверить, что происходит внутри, невозможно, поскольку ни один световой сигнал не способна вырваться обратно за пределы горизонта событий.
С падением вещества в черную дыру связан знаменитый информационный парадокс, который физики не могут разрешить на протяжении десятилетий. Если бросить в черную дыру тостер или груду кирпичей, внешне это проявится исключительно в увеличении массы самой дыры. Физики до сих пор спорят, исчезает ли информация о внутренней структуре тостера навсегда или она как-то кодируется и возвращается обратно, например, через механизмы, описываемые теорией струн. Сама Мак предпочитает рассматривать черные дыры как экстремальные деформации структуры пространства-времени, где падающая материя фактически растворяется, переходя в чистую геометрическую кривизну.
В заключение Кэти Мак поделилась инсайдами из своих интервью с ведущими физиками мира, которые она брала в рамках работы над книгой благодаря гранту Фонда Слоуна (Sloan Foundation). Самым шокирующим открытием для нее стало то, насколько популярной в академической среде является концепция, согласно которой пространство и время не являются фундаментальными свойствами реальности.
В беседах с такими учеными, как Клиффорд Джонсон (Clifford Johnson) из Университета Южной Калифорнии (USC) и Шон Кэрролл (Sean Carroll), подтвердилась гипотеза, что базовыми элементами Вселенной могут выступать более глубокие математические или квантовые конструкты. Пространство и время в таком случае — лишь эмерджентная иллюзия, продукт нашего восприятия, генерируемый скрытой структурой космоса. По признанию Кэти Мак, эта идея заставляет переосмыслить не только физику, но и само наше место в мироздании.
