10 вопросов о Вселенной, на которые никто пока не может ответить

1. Почему снаружи Солнце горячее, чем внутри

У нашего Солнца, как и у любой уважающей себя звезды, есть корона — это внешняя атмосфера светила, состоящая из раскалённой плазмы. И по какой‑то причине она гораздо горячее, чем непосредственно фотосфера, или поверхность светила. Температура последней составляет около 5 500 °C, в то время как температура короны может достигать от одного до трёх, а иногда и 10 миллионов градусов.

Это как если бы воздух над костром был в 150–450 раз горячее самого пламени.

Учёные никак не могут взять в толк, почему всё так. Они разработали несколько теорий. По одной из них, от поверхности Солнца исходят мощные магнитогидродинамические плазменные волны, которые разогревают атмосферу. По другой, наша звезда испускает аксионы — квантовые элементарные частицы. Они превращаются в фотоны в областях с сильным магнитным полем и придают короне дополнительную энергию.

Есть и ещё с полдесятка предположений, но определить, какое из них правильное, пока не получается. Возможно, отправившийся к звезде зонд «Паркер» предоставит данные, которые помогут разрешить проблему, — он максимально приблизится к Солнцу в 2025 году.

2. Существуют ли белые дыры

Про чёрные дыры слышали даже те, кто не интересуется космосом. Это области космического пространства с невероятно сильной гравитацией, преодолеть которую не может даже свет. В чёрных дырах находятся сингулярности — точки с бесконечной плотностью и бесконечно сильным гравитационным полем. Что это такое и как выглядит, физики до сих пор представить не могут.

Но есть и более загадочные явления — антиподы чёрных дыр. Физики Игорь Новиков, Николай Кардашёв, Альберт Эйнштейн и Стивен Хокинг предсказывали существование в космосе так называемых белых дыр — объектов, обладающих такими же свойствами, что и чёрные. Но при этом попасть в них ничего не может — они способны только излучать.

Что такое белые дыры, как они могут выглядеть, где их найти и существуют ли они вообще — пока неизвестно.

Предполагается, что если в космосе есть так называемые червоточины — туннели, проходящие сквозь пространство, то чёрные дыры могут быть входом в них, а белые — выходом. Возможно также, что последние очень нестабильны, и каждое их появление мгновенно заканчивается мощным взрывом с выбросом материи. Отдельные физики вообще полагают, что чёрные дыры со временем могут превращаться в белые. И начинают не поглощать материю, а выбрасывать её.

Многие учёные просто не верят в белые дыры — ведь их существование было, по сути, предсказано лишь на бумаге. С другой стороны, существование чёрных дыр тоже долгое время подвергали сомнению. Так что, возможно, в необозримых глубинах космоса найдутся и более невероятные вещи.

3. Есть ли другая жизнь во Вселенной

В нашей галактике Млечный Путь около 400 миллиардов звёзд. По прикидкам астрономов, около 20 миллиардов из них — светила, подобные нашему Солнцу. Наблюдения дают основания считать, что по крайней мере у одной пятой части из них есть планеты земного типа в обитаемой зоне — там, где на небесном теле будет подходящая температура для жидкой воды.

И если хотя бы на 0,1% из них зародилась жизнь, значит, только в нашей галактике найдётся миллиард обитаемых планет!

Но, как сказал физик Энрико Ферми, в честь которого назвали известный парадокс, «ну и где же они все в таком случае?» Да, несмотря на то, что в одной только нашей галактике куча потенциально приспособленных к жизни планет, пока что ни одной обитаемой мы не обнаружили и с братьями по разуму в контакт не вступили.

Существует множество потенциальных разгадок парадокса Ферми. Может, жизнь в галактике развивается слишком медленно и пока до радиотелескопов додумались только мы. Или космические расстояния таковы, что ни одна цивилизация не в силах их преодолеть.

Или инопланетные формы жизни вообще настолько чужды нам, что мы просто их не можем заметить, — например, они живут в подлёдных океанах спутников‑гигантов или где‑нибудь в кротовых норах и на поверхностях звёзд. В общем, пока что контакт с братьями по разуму откладывается на неопределённый срок.

4. Есть ли границы у Вселенной

Зуммирование снимков видимой Вселенной, сделанных телескопом Hubble. Изображение: NASA

Радиус видимой Вселенной составляет примерно 46,5 миллиарда световых лет. «Видимой» — то есть той, за которой мы в состоянии наблюдать — пусть и с огромной задержкой, улавливая прилетающий из отдалённых уголков мироздания свет. Но что находится за границей Вселенной и есть ли там что‑то вообще?

У учёных нет ответа на этот вопрос, и вряд ли он появится на нашем веку. Вполне возможно, Вселенная попросту бесконечна, и за пределами нашего наблюдаемого «пузыря» лежит точно такое же пространство с другими галактиками, звёздными скоплениями и туманностями.

Но также есть вероятность, что Вселенная конечна — грубо говоря, обладает ограниченным объёмом. Если это так, то что находится за её краем? Пустота, другие вселенные или ещё что‑то совершенно невообразимое?

Ещё может быть, что Вселенная конечна по площади, но не имеет краёв, а замкнута сама на себя — ну, примерно как сфера, только многомерная. Это значит, что добраться до её края невозможно, потому что, двигаясь достаточно долго, вы в конечном счёте прибудете в исходную точку.

Как кругосветное — только круговселенное путешествие.

Более того, если Вселенная конечна, но безгранична, возможно, что она даже меньше наблюдаемой нами области. В этом случае то, что мы принимаем за очень далёкие галактики, на самом деле может быть дубликатами изображений соседних галактик, образованных светом, облетевшим Вселенную по кругу.

Но все эти гипотезы пока что невозможно проверить экспериментально. И возможности такой не будет до тех пор, пока человечество не изобретёт способ перемещаться быстрее скорости света.

5. Как сталкиваются чёрные дыры

Компьютерное моделирование двойной системы чёрной дыры GW150914. Изображение: Wikimedia Commons

Учёные считают, что особенно большие чёрные дыры могли образоваться от соединения двух дыр поменьше. Гравитационные волны — своего рода рябь в пространстве‑времени от их слияния — впервые зафиксировала обсерватория LIGO в 2016 году. Сигнал этот получил название GW150914.

Перед тем как соединиться, чёрные дыры долгое время кружатся друг вокруг друга. Чаще всего такие пары образуются при столкновении целых галактик. В результате получается галактика с ядром из двух сверхмассивных чёрных дыр. Известно, что такие есть, например, в SDSS J104807.74+005543.5 и EGSD2 J142033.66 525917.5.

Поскольку у астрономов слишком много галактик на изучение, они не слишком заморачиваются с названиями.

Вы спросите: ну сливаются чёрные дыры, и что тут такого? Дело в том, что у физиков никак не сходятся расчёты — как они, в сущности, могут это делать. Их лобовое столкновение — вещь крайне редкая и даже маловероятная статистически. Дыры могут сойтись довольно близко по космическим масштабам — на один парсек, или примерно 3,3 светового года. Но не более того: взаимное гравитационное влияние, которое они друг на друга оказывают, будет недостаточно велико.

И на то, чтобы постепенно затормозиться, нарезая круги вокруг друг друга, у них уйдут многие миллиарды лет. По крайней мере, так показывает компьютерное моделирование. Загвоздка в том, что в реальности, а не на бумаге, дыры сливаются довольно резво — и их, кажется, выкладки физиков совсем не волнуют.

Эта загадка получила в астрономии название «проблема последнего парсека».

6. Существует ли где‑нибудь ваша точная копия

Сейчас у всех на слуху термин «мультивселенная» — всё благодаря фантастическим фильмам вроде «Доктора Стренджа» от Marvel. Многие часто шутят: в другой Вселенной я, наверное, был бы миллиардером! Но мало кто задумывается над тем, что за этими сюжетами скрывается серьёзная физическая концепция.

Если Вселенная бесконечна или является всего одним объектом из множества подобных, значит, в ней может быть бесконечное количество конфигураций материи. И они могут быть очень похожими или даже идентичными тем, что вас окружают.

Вот простая аналогия. Если вы случайным образом выбросите из мешка множество кубиков с буквами, возможно, они сложатся в какое‑то слово. Если вы будете бесконечно долго выкидывать их, рано или поздно слово снова появится — это просто вопрос времени.

Точно так же и с бесконечной мультивселенной — в ней рано или поздно начнут повторяться конфигурации, в которые могут складываться атомы.

Известный физик Итан Сигел заявляет: если истинный размер настоящей Вселенной бесконечен, где‑то в ней может существовать точная копия Земли, вас, да и вообще всего. Возможно, вы там действительно миллиардер и плаваете на своей яхте, или, наоборот, охотитесь на гигантских космических тараканов в кислотной атмосфере. И этих копий в самых разных вариантах может быть сколько угодно.

Это очень захватывающая и, если поразмыслить, пугающая концепция. Но ни подтвердить, ни опровергнуть её пока невозможно.

7. Какова односторонняя скорость света

Первым скорость света попытался измерить в 1676 году датский астроном Оле Рёмер. Рассчитав время затмений спутника Юпитера Ио, он понял: чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру орбиты Земли вокруг Солнца, лучу требуется около 22 минут. Рёмер заявил, что скорость света в итоге равна 220 000 км/с.

В 1896 году француз Арман Физо измерял её уже экспериментально — с помощью зеркала, стоящего на холме, и насчитал 313 274 304 м/с. Сейчас известно, что он допустил 5‑процентную погрешность и точная скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с.

Однако тут есть маленькое затруднение. Чтобы экспериментально измерить скорость света, физики могут направить луч от источника к отражателю, расстояние до которого известно. И замерить время, которое ему нужно, чтобы слетать туда, отразиться и вернуться. Затем расстояние делят на время, а получившееся число — надвое.

Но вот вычислить одностороннюю скорость света возможным не представляется.

Чтобы это сделать, необходимо знать время старта и финиша луча, измеренное в одной и той же шкале. Для этого требуется либо пара идеально синхронизированных часов — одни в начале и одни в конце пути, либо наличие способа мгновенной доставки сигнала от старта к финишу.

Но передавать информацию мгновенно, быстрее скорости света, невозможно. И синхронизировать часы абсолютно точно можно только в том случае, если они стоят неподвижно. А если их сверить, а потом один таймер унести в точку финиша, время на нём начнёт идти медленнее для стороннего наблюдателя из‑за специальной теории относительности Эйнштейна. И когда часы доберутся до нужной точки и можно будет начинать эксперимент, они уже рассинхронизируются с первым устройством.

Казалось бы, это не проблема. Но что, если свет будет двигаться туда и обратно с разной скоростью — например, замедляемый гравитацией массивных небесных тел вроде чёрных дыр? Или если он летит в одну сторону вдвое быстрее, чем мы думаем, а назад возвращается вообще мгновенно?

Если односторонняя скорость света действительно отличается от средней, получается, мы не можем точно измерять расстояния во Вселенной, и все наши представления о её устройстве могут быть неправильными. А разрешить этот парадокс не получится, пока мы не найдём способ передавать информацию быстрее скорости света. Что, по современным представлениям, невозможно.

8. Существуют ли во Вселенной голые сингулярности

Чёрные дыры — очень загадочные объекты, потому что никто не знает, что происходит у них внутри. Их содержимое от астрономов скрывает горизонт событий — внешняя граница, вырваться за которую не способно ничто, даже свет. По современным представлениям, за этим горизонтом находится сингулярность — точка пространства с бесконечной плотностью и очень мощным гравитационным полем.

Чёрные дыры астрономы наблюдают регулярно. Но расчёты показывают, что в космосе могут существовать и более странные объекты — голые сингулярности. Это «начинка» чёрной дыры, не скрытая горизонтом событий. В теории она может получиться в результате коллапса гигантского облака пыли или сверхновой звезды.

Как голая сингулярность будет работать и выглядеть — для учёных загадка.

В 1969 году британский физик Роджер Пенроуз заявил, что голая сингулярность существовать не может, потому что нарушает законы природы. Но позже математик Деметриос Христодулу показал, что она всё-таки может образоваться без горизонта событий — но для этого должна вращаться с достаточно большой скоростью.

Находка голой сингулярность стала бы настоящей сенсацией — это позволило бы разгадать, как себя ведёт вещество, сжатое до планковских объёмов. А стало быть, узнать много нового о Большом взрыве и зарождении Вселенной.

Проблема в том, что голые сингулярности, во‑первых, пока что существуют только в теории. А во‑вторых, даже на бумаге получаются неустойчивыми и со временем довольно быстро превращаются в заурядные чёрные дыры. В общем, зафиксировать такой объект для астрономов — задачка ещё та.

9. Что было до Большого взрыва

Современная наука неплохо представляет себе, что было со Вселенной раньше, и даже смогла довольно точно определить её возраст — примерно 13,8 миллиарда лет. Когда‑то она была бесконечно плотной и горячей — это состояние называлось сингулярностью. А затем начала расширяться и остывать.

Этот процесс продолжается до сих пор — расширение пространства подтверждается наблюдениями. Например, красное смещение галактик, то есть понижение частот их излучения, доказывает, что они отдаляются друг от друга.

Момент, когда сингулярность начала расширяться, породив пространство и время, называется Большой взрыв.

Учёные довольно неплохо расписали, что происходило в первые моменты существования Вселенной: как прошла эпоха инфляции — когда начали образовываться кварки, электроны и нейтрино. Как шёл первичный нуклеосинтез — когда из раскалённой плазмы появлялись первые химические вещества, водород и гелий. Как сформировались первые звёзды. Всё это неплохо соотносится с проверенными законами физики.

Но вот что было до Большого взрыва, когда ни пространства, ни времени ещё не существовало, современная физика описать попросту не в состоянии. По мнению некоторых учёных, например Стивена Хокинга и Лоуренса Краусса, Вселенная могла возникнуть попросту из ничего из‑за «квантовых флуктуаций».

Другие специалисты, к примеру Ли Смолин, допускают, что она родилась из взрыва сингулярности из чёрной дыры родительской Вселенной. Третьи физики вообще городят сложнопредставимые концепции с применением теории струн и столкновениями многомерных мембран.

Но внятного и определённого ответа, как всё началось, у нас пока нет.

10. Что случится со Вселенной в будущем

Тут всё тоже довольно сложно. Возможно, Вселенную ждёт так называемая тепловая смерть — когда из‑за расширения пространства в какой‑то момент распадутся галактики. Процесс звездообразования со временем прекратится, потому что газовые облака, из которых формируются новые светила, тоже развеются.

Оставшиеся звёзды погаснут или сколлапсируют в чёрные дыры, а те тоже развеются из‑за излучения Хокинга. На это уйдёт где‑то 1,7×10^106 лет — и начнётся «Эпоха вечной тьмы», когда во Вселенной останутся только простейшие частицы, которые тоже со временем аннигилируют.

Но этот прогноз работает только в том случае, если предположения учёных насчёт времени распада протонов верны. Если же они не распадаются, то Вселенную ожидают ещё более странные последствия. Скажем, за 10^1500 лет вся материя превратится в железо. Да, звёзды за это время успеют потухнуть и превратиться в чёрных карликов. А затем — стать кусками железа, так называемыми железными звёздами. В таком состоянии они просуществуют очень долго — до 10^10^76 лет, а затем сколлапсируют в чёрные дыры и испарятся.

10^10^76 лет — невероятно долгий срок. С тем же успехом вы можете заменить в нём годы на секунды или столетия — это никак не скажется на масштабе.

За это время во Вселенной произойдёт много всего интересного. Например, если она просуществует хотя бы 5,7 триллиона лет, красные карлики в ней начнут превращаться в голубых. Это гипотетический тип звёзд с высокой температурой, но при этом низкой светимостью. Пока что ни одной такой звезды не обнаружено — наша Вселенная просто слишком молода, чтобы они успели в ней появиться.

А, например, когда ей стукнет 10^65 лет, из‑за квантового туннелирования атомы и молекулы в телах к этому моменту начнут переходить на другие места в кристаллической решётки. Твёрдое вещество в таких условиях станет невозможным, и всё станет жидким.

Может также статься, что этого мы так и не дождёмся, и Вселенная погибнет ещё раньше — например, из‑за так называемого распада ложного вакуума. Если он недостаточно стабилен и в пространстве каким‑то образом зародится «пузырь» более стабильного, истинного вакуума, то фундаментальные силы во Вселенной перестанут работать, а элементарные частицы распадутся. На это потребуется где‑то 10^139 лет.

Как бы то ни было, пока у человечества мало шансов узнать, что случится в конце времён.