Как и когда умрет Вселенная? Судьба вселенной
Некоторые теории сулят Вселенной ужасную смерть, другие - бессмертие
О Вселенной мы знаем пока очень мало. На самом деле, почти ничего. Но поскольку люди задумываются о том, что происходит после их смерти, смерть целой Вселенной интересует нас не меньше. За последние годы научное сообщество выдвинуло множество теорий - вы удивитесь, узнав, насколько сильно они отличаются друг от друга. Правды, само собой, не может знать никто.
1. Большое сжатие
Самая знаменитая теория о рождении Вселенной - это теория Большого взрыва. Она гласит, что вся материя изначально существовала как сингулярность - бесконечно плотная точка посреди великого ничто. А потом по непонятным причинам произошёл взрыв. Материя вырвалась наружу с невероятной скоростью и постепенно стала известной нам Вселенной.
Как вы могли догадаться, Большое сжатие - это Большой взрыв «наоборот». Вселенная постепенно расширяется под воздействием собственной гравитации, но этому должен быть предел - некая конечная точка, граница. Когда Вселенная достигнет этой границы, то прекратит расширяться и начнёт сжиматься. Тогда вся материя (планеты, звёзды, галактики, чёрные дыры -всё) снова сожмётся в одну бесконечно плотную точку.
Правда, последние данные этой теории противоречивы - учёные недавно обнаружили, что Вселенная расширяется всё быстрее.
2. Тепловая смерть Вселенной
В общем и целом Тепловая смерть - противоположность Большому сжатию. Согласно теории, гравитация способствует тому, что Вселенная продолжит расширяться в геометрической прогрессии. Галактики будут отдаляться от друга всё дальше и дальше, подобно несчастным любовникам, и всеобъемлющая чёрная пропасть между ними будет расти.
Вселенная следует тем же правилам, что и любая термодинамическая система: тепло равномерно распределяется по всему, что в ней есть. Всё вещество Вселенной равномерно распределено среди холодного, скучного и тёмного «тумана».
В конце концов все звёзды, одна за другой, вспыхнут и погаснут, а энергии для появления новых звёзд уже не будет - вселенная погаснет. Материя всё ещё останется на месте, но в форме частиц, чьё движение будет полностью хаотичным. Эти частицы будут сталкиваться друг с другом, но без обмена энергией. А люди? Люди тоже станут всего-навсего частицами посреди бескрайней пустоты.
3. Тепловая смерть плюс чёрные дыры
Согласно популярной теории, вся материя во Вселенной движется вокруг чёрных дыр: в центре почти всех известных нам галактик есть сверхмассивные чёрные дыры. Это может означать, что звёзды и даже целые галактики в итоге будут уничтожены, как только попадут в горизонт событий.
Когда-нибудь эти чёрные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся один на один с тёмной Вселенной. Время от времени здесь будут появляться вспышки света - это будет означать, что какой-то объект оказался достаточно близко к чёрной дыре, чтобы выделить энергию. Затем снова станет темно.
Потом более массивные чёрные дыры поглотят менее массивные и станут таким образом ещё больше. Но это ещё не конец Вселенной: чёрные дыры со временем испаряются (теряют свою массу), так как излучают то, что в современной науке получило название излучение Хокинга. И когда умрёт последняя чёрная дыра, во Вселенной останутся только равномерно распределённые частицы с излучением Хокинга.
4. Конец времени
Если и есть в этом мире хоть что-то вечное, то это, безусловно, время. Независимо от того, будет ли существовать Вселенная, время-то уж точно никуда не исчезнет - без него просто не было бы никакой возможности отличить предыдущий момент от последующего. Но что если время просто застынет? Что если того, что мы понимаем под моментами, вообще не будет? Всё застынет в одном и том же бесконечном мгновении - навсегда.
Предположим, мы живём в бесконечной Вселенной с бесконечным временем. Это значит, что всё, что может случиться, обязательно произойдёт со стопроцентной вероятностью. Такой же парадокс возникает, если вы живёте вечно. Представьте, что время вашей жизни неограниченно, поэтому всё, что только может произойти с вами, тоже обязательно произойдёт, причём бесконечное количество раз. Таким образом, если вы живёте вечно, то шанс ненадолго выбыть из строя составляет 100%, и вы потратите вечность в темноте космоса. На основании этого учёные сделали предположение: время, в конце концов, остановится.
Если бы вы могли жить вечно, чтобы испытать всё это (через миллиарды лет после гибели Земли), вы бы даже никогда и не поняли, что-то пошло не так. Время просто остановится, и, по мнению учёных, всё застынет в одном мгновении, как на фотографии - навсегда. Будет просто одно и то же мгновение. Вы бы никогда не умерли, никогда бы не состарились. Это было бы своего рода псевдобессмертие. Но вы бы никогда об этом не узнали.
5. Большой отскок
Большой отскок похож на Большое сжатие, но куда более оптимистичное. Сценарий тот же: под воздействием гравитации расширение Вселенной замедляется, и в итоге вся материя собирается в одной точке. Согласно этой теории, силы быстрого сжатия будет достаточно, чтобы случился новый Большой взрыв - и тогда появится новая, юная Вселенная. Согласно этой модели, ничто не погибнет - материя просто «перераспределится».
Но физикам и физике такое объяснение не нравится. Поэтому некоторые учёные утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдёт весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого она приблизится к этому состоянию максимально близко, а потом «отскочит» с помощью силы, подобной той, какая возникает, когда мяч отскакивает от пола.
Большой отскок очень похож на Большой взрыв - теоретически появится новая Вселенная. Таким образом, наша с вами Вселенная может быть не первой, а, скажем, 400 по счёту. Но нет никакого способа это доказать - как и опровергнуть.
6. Большой разрыв
Независимо от того, как именно погибнет Вселенная, учёные не стесняются для названия новой теории использовать слово «Большой». Это, кстати, ещё слабо сказано. Согласно теории Большого разрыва, невидимая сила под названием тёмная энергия заставит Вселенную расширяться быстрее. В итоге она так разгонится, что просто разорвётся на части.
Большинство теорий говорят, что Вселенная погибнет ещё очень нескоро. Но теория Большого разрыва сулит ей относительно скорую смерть - по предварительным оценкам это случится через 16 млрд лет.
Планеты и, возможно, жизнь ещё будут существовать. И этот вселенский катаклизм может разом всё погубить: разорвать всё на части или скормить космическим львам, живущим между вселенными. О том, что произойдёт, можно только догадываться. Но такой конец будет куда страшнее, чем медленная тепловая смерть.
7. Метастабильность вакуума
Теория основана на идее, что Вселенная постоянно находится в нестабильном состоянии - квантовая физика вообще говорит, что она балансирует на грани устойчивости. Некоторые учёные полагают, что через миллиарды лет Вселенная шагнёт за эту грань.
Когда это произойдёт, появится своего рода «пузырь». Думайте о нём, как об альтернативной Вселенной (хотя фактически это будет та же самая Вселенная с другими свойствами). Пузырь начнёт расширяться во всех направлениях со скоростью света и уничтожать всё, с чем соприкоснётся. И в итоге уничтожит всё.
Но не волнуйтесь: Вселенная при этом всё ещё будет существовать. Только законы физики в ней будут совершенно другими, но там тоже вполне может возникнуть жизнь. Только там не будет ничего, что мы, люди, будем в состоянии понять.
8. Временной барьер
Если мы попробуем рассчитать, какова вероятность существования мультивселенной, в которой есть бесконечное число вселенных, но немного (или совершенно) разных, то столкнёмся с той же проблемой, что и в теории о Конце времени: всё, что может случиться, обязательно случится.
Чтобы обойти эту проблему, учёные берут отдельный участок Вселенной и вычисляют вероятность его существования. Расчёты кажутся логичными, но делят Вселенную на отдельные куски - как торт. И у каждого куска есть граница, как у областей на политической карте мира. Только надо представить, что каждую страну разделяет устремляющая в небо стена.
Эта модель может существовать только в том случае, если границы - настоящие, физические, за пределы которых ничто не может выйти. Согласно расчётам, в ближайшие 3,7 млрд лет мы пересечём этот временной барьер, и для нас вселенная закончится.
Занимает судьба Вселенной. Весьма интересен вопрос, что будет дальше со Вселенной. Как будет выглядеть Вселенная через миллионы лет. На этот счет существует множество мнений. Рассмотрим в этой статье несколько из тех, которые выглядят наиболее достоверно с точки зрения современной науке.
В качестве одного из вариантов конечной стадии развития Вселенной высказывается предположение о тепловой смерти
. Вселенная, продолжая расширятся, будет продолжать остывать. С течением времени все звезды погаснут, завершив свое существование в виде белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр . Вся запасенная во Вселенной энергия в конечном счете перейдет в тепловую. Все процессы во Вселенной прекратятся. В этот момент Вселенная станет практически темной. Все это произойдет примерно через 10 в 100 степени лет.
Несмотря на всю мрачность возникновение и поддержание жизни в такой Вселенной все еще возможно. Правда, только на небольшое время. Дело в том, что в условиях теплового равновесия возможно появление так называемой Больцмановской флуктуации. Это небольшой (в масштабах Вселенной) кусочек пространства, где это тепловое равновесие нарушено. В этой самой флуктуации идут процессы как в нашей Вселенной. В ней возможно возникновение и поддержание жизни.
Теория флуктуации настолько завлекла умы ученых, что существуют даже работы, в которых наш мир описывается как флуктуация в уже умершей Вселенной. Таким образом, некоторые предполагают, что тепловая смерть уже произошла. Все что мы видим вокруг себя, это лишь флуктуации энергии и остатки “былого величия”. Согласно такому мнению далекие Галактики уже остыли, и мы видим лишь свет от них, который летит до нас миллионы лет. Наше Солнце и еще некоторые звезды есть лишь крохотные флуктуации. Такие мнение нельзя назвать строго научным, так как оно имеет огромное количество противоречий. Однако, оно довольно популярно, и потому мы решили изложить его здесь.
Современная теория ускоренного расширения Вселенной вносит некоторые дополнительные соображения. Так, благодаря расширению большинство сейчас видимых Галактик будут находится так далеко, что станут невидимыми. Это начнет происходить еще за долго до тепловой смерти Вселенной. Большинство планетарных систем могут оказаться разрушенными. В дальнейшем, уже с наступлением тепловой смерти, расширятся будут отдельные звезды, планеты и черные дыры. В такой Вселенной невозможны никакие процессы, в том числе и возникновение жизни.
Еще недавно существовала еще одна модель, в которой расширение Вселенной в какой-то момент сменится сжатием. В этой модели эволюция Вселенной как-бы разворачивается в обратную сторону. Все космические объекты начинают постепенно сближаться и по прошествии примерно 10 в 14 степени лет Вселенная схлопнется в то нечто, из которого когда-то образовалась. Однако, последние измерения показали, что такое развитие ситуации невозможно. Массы вещества во Вселенной недостаточно чтобы противостоять ее ускоренному расширению, которое происходит в настоящий момент.
Стоит заметить, что все изменения во Вселенной происходят достаточно медленно. Так, скорей всего через 1 миллиард лет Вселенная изменится так незначительно, что мы этого не заметим или почти не заметим. Первые сколько либо значительные изменения могут быть только через несколько миллиардов лет. Тогда часть Галактик, видных в телескоп, начнут пропадать или становится тускней. Хотя и это справедливо с оговоркой на то, что существующая теория гравитации верна на таких масштабах. Возможно обнаружатся новые эффекты, способные по новому взглянуть на судьбу Вселенной.
Долгосрочный расчёт будущего Вселенной напрямую зависит от процесса расширения Вселенной: будет ли он бесконечно долго ускоряться, или скорость его расширения будет постоянной на протяжении значительного времени, или же в какой-то момент Вселенная начнет сжиматься. Считается, что это зависит от средней плотности Вселенной (т.к. называемой критической плотности). Если плотность равна критической (вариант плоской Вселенной), то расширение идет с одинаковой скоростью, если больше, то Вселенная в конце концов схлопнется (вариант замкнутой Вселенной), если меньше то будет расширяться с всё большем ускорением, что в итоге приведет к Большому Разрыву (вариант открытой Вселенной).
Данные по сверхновым Ia говорят, что в данный момент расширение Вселенной ускоряется, а значит будет ускоряться и впредь. Следом за Ф. Адамс и Г. Лайфлин для более удобного описания будущего введем понятие космологической декады (η) - десятичный показатель степени возраста Вселенной в годах:
Эпоха звёзд
Нынешняя эпоха, эпоха активного рождения звёзд закончится ровно в тот момент, когда галактики исчерпают все запасы межзвёздного газа, в это же время закончат свой путь и маломассивные звёзды - красные карлики - полностью исчерпав свои источники горения.
Гораздо раньше потухнет Солнце. Но сначала оно превратится в красный гигант, поглотив Меркурий и Венеру. Земля же, если не разделит их судьбу, раскалится настолько, что будет представлять собой сплошной сгусток лавы.
Эпоха распада
Если в предыдущей стадии основное население Вселенной это звёзды, подобные нашему Солнцу, то в эпоху распада - белые и коричневые карлики, и совсем чуток нейтронных звёзд и чёрных дыр. Обычных звёзд нет вообще, они все дошли до конечного этапа своей эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры.
Если в прошлой стадии горение водорода было самым распространённым процессом, то в эту эпоху его место в коричневых карликах, да и идет гораздо-гораздо медленнее. Ныне главенствует процессы аннигиляции тёмной материи и распад протона.
Галактики также сильно отличаются от нынешних: все звёзды уже неоднократно сталкивались друг с другом. Да и размер галактик значительно больше: все галактики, входящие в состав локального скопления слились в одну.
Эпоха чёрных дыр
На этом этапе фактически всё вещество представляет собой море элементарных частиц. И лишь в некоторых уголках Вселенной продолжают жить нейтронные звёзды. На первую роль выходят чёрные дыры.
Две предыдущих и эпоха ранней Вселенной оставили после себя три разных типа чёрных дыр:
Дыры звёздной массы. Они образовались после вспышек звёзд с массой выше 10 Mʘ.
промежуточной массы.
сверхмассивные, предположительно в центре каждой галактики находится подобные дыры. Их масса порой равна миллиарду солнечных масс.
За предыдущие декады они акрецировали на себя вещество. В эту эпоху, они только излучают. Основных механизма тут два - столкновение двух чёрных дыр и последующее слияние высвобождают значительную гравитационную энергию, образуются гравитационные волны. Вторым механизмом является Излучение Хокинга: благодаря своей квантовой природе некоторым фотонам удаётся пробираться за горизонт событий. Вместе с фотоном чёрная дыра теряет и массу, а потеря массы ведет к ещё большему потоку фотонов. В какой-то момент гравитация больше не может удерживать фотоны света под горизонтом событий и чёрная дыра взрывается, выкидывая последние остатки фотонов.
Однако возможен и другой сценарий. Если Вселенная открытая или плоская, то подобно современным галактикам чёрные дыры могут образовывать свои скопления и сверхскопления, и точно также они будут сливаться. В итоге образуется гигантская чёрная дыра, которая будет жить фактически вечно.
Эпоха вечной тьмы
Это время уже без каких либо источников энергии. Сохранились только остаточные продукты всех процессов, происходящих в прошлых декадах: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны и позитроны. Температура стремительно приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позийтрония, долгосрочная судьба их - полная аннигиляция.
Если в эту эпоху Вселенная продолжает расширяться, то её дальнейшая судьба непредсказуема. Известная нам физика в этот момент времени уже не работает. Это ещё больше усиливает сходство с первыми мгновениями Большого взрыва: море элементарных частиц, высокая однородность и полная неприменимость современных законов физики.
Однако, если Вселенная замкнута, то до этой стадии, как впрочем и до двух предыдущих может не дожить. Из наблюдений сверхновых типа Ia можно дать верхнее ограничение на среднюю плотность вещества в две критические величины, т.е. минимальное время до Большого сжатия 50 млрд. лет.
Вселенная будет напоминать современную вплоть до момента, когда её радиус не станет в пять раз меньше современного. В этот самый момент все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также происходят рождения звёзд, всё также вспыхивают сверхновые и, возможно, развивается биологическая жизнь. Всему этому придет конец, когда Вселенная ужмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше чем сейчас, в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику.
Температура реликтового фона достигнет 274К и на планетах земного типа начнет таять лед. Дальнейшее сжатие приведет к тому, что излучение реликтового фона затмит даже центральное светило планетарной системы, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся и сами звёзды, либо будут разорваны на куски, подобную участь разделят и планеты. В тот момент Вселенная будет похожу на ту молодую, что была в первые годы своего рождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны, начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки, происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва перестают работать известные нам законы физики и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно.
Проблемы современных моделей
Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерной топологии пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной. Общая теория относительности как локальная теория не может дать полного ответа на этот вопрос, хотя некоторые ограничения вводит и она.
Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. В настоящее время большинство космологов полагают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к пространственно плоской с локальными складками, где массивные объекты искажают пространство-время. Это мнение было подтверждено последними данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового излучения.
Во-вторых, неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна. Если Вселенная действительно пространственно ограничена, то в некоторых её моделях, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в отправную точку путешествия (в некоторых случаях это невозможно из-за эволюции пространства-времени.
Вселенная - глобальный объект, который включает в себя время, космос и всё его содержимое: галактики, звёзды, планеты, их луны, все прочие тела, всю материю, всю энергию. Этот огромный и замечательный объект когда-то зародился. Как у всего хорошего, у Вселенной тоже есть свой конец. С прошлым и зарождением Вселенной учёные вроде как определились. А вот предсказания о конце Вселенной остаются набором теорий, которые выдают разный результат в зависимости от принимаемых значений нескольких постоянных.
Рождение и жизнь
Доминирующей теорией зарождения Вселенной в современной науке является Большой взрыв . Если экстраполировать видимое расширение Вселенной, 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад всё вещество находилось в одной точке нулевого размера с бесконечной плотностью и температурой. Затем началось расширение. Мало какие из последующих процессов находятся в пределах полного понимания современной физики.Коллапс будет отличаться от изначального расширения. Огромные скопления галактик сблизятся , затем начнут сливаться целые галактики. В какой-то момент звёзды подойдут друг к другу настолько близко, что дойдёт до частых столкновений. Звёзды не смогут рассеивать вырабатываемое тепло и начнут взрываться, оставляя горячий неоднородный газ. Из-за растущей температуры его атомы распадутся на элементарные частицы, которые будут поглощены срастающимися чёрными дырами. Гипотеза не указывает, каков будет финал.
Существует ещё одна гипотеза-продолжение - Большой отскок . Простая формулировка гласит, что Вселенная испытывает циклы Больших взрывов и Больших сжатий. Возможно, и эта Вселенная возникла в результате распада предыдущей. Это означает, что мы живём в одну из точек бесконечного цикла сжатий и взрывов. Впрочем, их нумерация не имеет смысла из-за прохождения точки сингулярности . Некоторые теории утверждают, что результатом Большого сжатия станет то же состояние, с которого всё началось. Произойдёт ещё один Большой Взрыв. Цикл будет бесконечно продолжаться.
Но последние экспериментальные наблюдения дальних сверхновых как объектов стандартной светимости и составление карты реликтового излучения показывают, что расширение не замедляется, а лишь ускоряется .
За миллиарды лет звёзды выгорят. Из их останков родятся белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Через 150 миллиардов лет от текущего момента при том же ускорении разбегания галактик все галактики за пределами Местной группы выйдут за космологический горизонт. События в Местной группе никак не смогут влиять на события в удалённых галактиках, и наоборот. При наблюдении удалённой галактики время будет замедляться, а затем просто остановится. Другими словами, через 150 миллиардов лет наблюдатель в Местной группе никогда не увидит событий в удалённых галактиках. Более не будут возможны ни полёты к ним, ни какие-либо формы связи.
Через 800 миллиардов лет светимость Местной группы заметно снизится. Стареющие звёзды будут выдавать всё меньше света, красные карлики будут вымирать в белые. Через 2 триллиона лет от текущего момента из-за красного смещения удалённые галактики будет невозможно как-либо обнаружить: даже длина волн их гамма-лучей будет выше, чем размер наблюдаемой вселенной.
Через 100 триллионов лет закончится формирование звёзд, в космосе будут тускло светить их остатки. После того, как потухнет последняя звезда, космос изредка будут озарять вспышки слияний двух белых карликов. Через 10 15 лет планеты либо упадут на остатки своих бывших звёзд, либо уйдут к другим телам. Похожим образом через 10 19 -10 20 лет объекты покинут галактики. Небольшая часть объектов упадёт в сверхмассивную чёрную дыру.
Дальнейшее развитие зависит от того, стабилен протон или нет. Некоторые эксперименты утверждают, что минимальный период полураспада протона составляет 10 34 лет. Если это действительно так, через 10 40 лет во Вселенной останутся почти лишь только лептоны и фотоны. Исчезнут остатки звёзд, останутся лишь чёрные дыры. Возможно, процесс гибели нуклонов займёт больше времени.
Через 10 100 лет от текущего момента чёрные дыры испарятся излучением Хокинга . Наконец, Вселенная будет почти полностью пуста. В ней будут летать фотоны, нейтрино, электроны и позитроны, изредка сталкиваясь.
Если протоны стабильны, то через 10 1500 холодным слиянием и квантовым туннелированием лёгкие ядра превратятся в атомы железа 56 Fe. Элементы тяжелее этого изотопа распадутся с излучением альфа-частиц. Через 10 10 26 лет квантовое туннелирование превратит большие объекты в чёрные дыры. Возможно, железные звёзды превратятся в нейтронные через 10 10 76 лет от настоящего момента.
Есть вероятность, через 10 10 10 56 лет квантовые флуктуации зародят новый Большой взрыв. Хотя в этом вакууме может зародиться даже разумное существо: приблизительная оценка времени зарождения Больцмановского мозга - раз в 10 10 50 лет.
Есть и другие, более экзотические гипотезы. К примеру, в 2010 году учёные предсказали , что через пять миллиардов лет время закончится . Это событие трудно будет увидеть или как-то предсказать, его обещают внезапным. Пространство может кончиться из-за схлапывания ложного вакуума в истинный, в более энергетически низкое состояние, что, возможно, повлечёт полное разрушение объектов Вселенной.
Все эти гипотезы разработаны для текущих реалий простого уравнения состояния для тёмной энергии. Как и следует из имени, о тёмной энергии известно мало. Если верна инфляционная модель Вселенной, то в первые моменты после Большого взрыва существовали другие формы тёмной энергии. Возможно, уравнение состояния поменяется. Изменятся выводы, которые можно сделать из него. Трудно предсказать, что мы узнаем о тёмной энергии, если она получила развитие лишь в конце прошлого века.
Но во всех случаях гибель Вселенной - очень далёкое по меркам человечества явление. Если рассматривать её с масштаба продолжительности жизни одного человека, это слишком глобальное событие, чтобы о нём беспокоиться.
|
Один из важнейших фактов, надежно установленных астрофизикой, сам факт эволюции Вселенной, ее направленное
развитие вместо рисовавшихся ранее вечно повторяющихся процессов на неизменной в среднем "сцене". Вселенная
расширяется, ее самые крупные структурные единицы - скопления галактик - удаляются друг от друга, и средняя
плотность вещества уменьшается. Около 15 миллиардов лет назад эта плотность была необычайно велика, не было
отдельных небесных тел, и вся материя представляла собой быстро расширяющуюся очень горячую плазму.
Теоретическая астрофизика, воссоздала картину первых минут после начала расширения Вселенной, когда в Плазме при температуре миллиард градусов происходили процессы синтеза легких химических элементов. То, что картина воссоздана точно, сейчас уже не вызывает сомнений, один из неотвратимых аргументов "за" - наблюдаемое сейчас соотношение между количеством гелия и водорода. Успехи физики элементарных частиц позволяют заглянуть в еще более горячее прошлое, когда температуры достигали 10 28 К, а время от начала расширения составляло 10 -35 секунды. Мы изучаем прошлое, чтобы лучше понять настоящее и будущее, а близкое и отдаленное будущее человечества, будущее разума во многом зависит от будущего природы, от судеб Земли, Солнца, Галактики, Вселенной. |
Прежде всего, конечно, возникает вопрос: неограниченно ли будет продолжаться расширение Вселенной? Ответ в принципе прост: если плотность материи во Вселенной достаточно велика, то силы тяготения в итоге остановят ее расширение, и оно сменится сжатием. Если плотность мала, то сил тяготения недостаточно, чтобы остановить расширение. Астрофизические наблюдения показывают, что средняя плотность видимого вещества во Вселенной примерно в 30 раз меньше критического значения (около 10 -29 г/см3 при современной скорости расширения), отделяющего один вариант будущего от другого.
Предположим сначала первый вариант - Вселенная расширяется неограниченно. Какие же процессы произойдут в этой неограниченно расширяющейся Вселенной? Первый из таких процессов сейчас ни у кого не вызывает сомнений - звезды погаснут. Солнце закончит свою активную эволюцию через несколько миллиардов лет и превратится в белый карлик размером с Землю, который будет постепенно остывать (см. цветную вкладку). Звезды массивнее Солнца проживут еще меньше п в зависимости от массы в конце концов превратятся либо в нейтронные звезды с поперечником всего в десятки километров, либо в черные дыры - объекты со столь сильным гравитационным полем, что оно не выпускает даже свет. Наконец, возможен катастрофический взрыв в конце "жизненного пути" звезды с полным ее разрушением. Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше, но и они рано или поздно превращаются в остывшие карлики. В наше время возникают и новые звезды из межзвездной среды (по мнению академика В. А. Амбарцумяна, звезды возникают из сверхплотных тел). Настанет время, когда необходимые запасы ядерной энергии и вещества будут исчерпаны, новые звезды рождаться не будут, а старые превратятся в холодные тела или черные дыры. Звездная эра эволюции Вселенной закончится через 10 14 лет. Этот срок огромен, он в 10 тысяч раз больше времени, прошедшего от начала расширения Вселенной до наших дней.
А теперь о судьбах галактик. Звездные системы - галактики - состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах галактик, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры, о чем свидетельствуют бурные процессы вокруг них, наблюдаемые астрофизиками. Для будущего галактик существенны очень редкие в наше время события, когда какая-либо звезда приобретает большую скорость в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами и превращается в межгалактического странника. Звезды постепенно будут покидать галактику, а ее центральная часть будет понемногу сжиматься. Конечный этап - это сверхмассивная черная дыра, поглотившая остатки звезд центральной части галактики, и рассеивание примерно 90 процентов всех звезд в пространстве. Процесс разрушения галактик закончится примерно через 10 19 лет, все звезды к этому времени давно погаснут и потеряют право именоваться звездами.
Для дальнейших процессов определяющей является предсказываемая современной физикой нестабильность ядерного вещества. Имеется в виду, что протон хотя и очень долго живущая, но все же нестабильная частица. Среднее время его жизни оценивается примерно в 10 32 лет. Конечный продукт распада протона - один позитрон, излучение в виде фотонов, нейтрино и, возможно, одна или несколько электронно-по-зитронных пар. Хотя распад протона еще не наблюдался непосредственно, мало кто из физиков сомневается в неизбежности такого процесса. Нейтроны тоже нестабильны - в составе ядра они распадаются подобно протону, а в свободном состоянии в среднем за 15 минут распадаются на протон, электрон и антинейтрино.
Итак, примерно через 10 32 лет (обозначим это время как T r) ядерное вещество полностью распадется. Нораспад ядерного вещества уже задолго до этого срока начнет играть важную роль в эволюции Вселенной. Позитроны, возникающие при распаде нуклонов (это общее название протонов и нейтронов), аннигилируют с электронами, превращаясь в фотоны, которые вместе с фотонами, прямо возникающими при распаде нуклона, нагревают вещество. Только нейтрино свободно покидают звезду и уносят около 30 процентов всей энергии распада. Процесс распада будет поддерживать температуру умерших звезд и планет на уровне хоть и низком, но все же заметно отличном от абсолютного нуля. Так, белые карлики, остыв за 10 17 лет до температуры 5 К, будут потом сохранять эту температуру из-за выделения энергии при распаде вещества внутри них. Нейтронные звезды остывают за 10 19 лет до температуры около 100 К, после чего распад вещества в них будет поддерживать эту температуру (см. нижний график на цветной вкладке; изменение массы М, радиуса R и температуры Т умерших звезд в ходе распада ядерного вещества показано в сравнении с их начальными параметрами М 0 , R 0 и Т 0 , нейтронные звезды после уменьшения массы М примерно в 10 раз, то есть при М/М 0 ~0,1, взрываются).
Спустя 10 32 лет (T r) все ядерное вещество полностью распадется, звезды и планеты превратятся в фотоны и нейтрино.
Несколько иная судьба у рассеянного в пространстве газа, который останется после разрушения галактик (по массе он может составить около процента всего вещества Вселенной). Ядерное вещество этого газа тоже, разумеется, распадется через тр лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами - из-за крайней разреженности газа вероятность встречи частиц чрезвычайно мала, и в результате образуется разреженная электронно-позитронная плазма.
К этому времени (T r) останутся еще черные дыры, возникшие из массивных звезд после их угасания, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик, о их судьбе мы скажем немного позже.
Что же будет происходить со Вселенной после распада ядерного вещества? В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электронно-пози-Тронная плазма и черные дыры. Основная часть массы окажется сосредоточенной в фотонах и нейтрино - начнется эра излучения.
С расширением Вселенной плотность массы излучения (фотонов и нейтрино) падает пропорционально четвертой степени размера (например, среднего расстояния между частицами), так как меняется и плотность числа частиц обратно пропорционально объему (куб размера) и энергия каждого кванта (а значит, и его масса) обратно пропорционально этому размеру. В отличие от излучения средняя плотность материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр убывает только из-за уменьшения их концентрации, то есть пропорционально кубу размера. Значит, плотность этих видов материи убывает медленнее, чем плотность излучения. Поэтому через время порядка 10 T r плотность материи уже будет определяться главным образом массой, заключенной в черных дырах (ее гораздо больше, чем в электронно-позитронной плазме). На смену эре излучения придет эра черных дыр.
Но и черные дыры не вечны. В поле тяготения вблизи черной дыры происходит рождение частиц, причем у черных дыр с массой порядка звездной и больше возникают кванты излучения. Такой процесс ведет к уменьшению массы черной дыры, она постепенно превращается в излучение - в фотоны, нейтрино), гравитоны. Но процесс этот чрезвычайно медленный, скажем, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 10 69 лет, а сверхмассивная черная дыра, масса которой еще в миллиард раз больше, - за 10 69 лет. И все же постепенно все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе во Вселенной - снова наступит эра излучения. Однако вследствие расширения Вселенной плотность излучения, как уже говорилось, падает быстрее плотности электронно-позитронной плазмы, и через 10100 лет станет доминирующей именно эта плазма - кроме нее, во Вселенной не останется практически ничего.
На первый взгляд картина эволюции Вселенной в отдаленном будущем выглядит весьма пессимистически. Это картина постепенного распада, деградации, рассеяния.
К возрасту Вселенной 10 100 лет в мире останутся практически только электроны и позитроны, рассеянные в пространстве с ужасающе ничтожной плотностью: одна частица приходится на объем, равный 10 185 объемам всей видимой сегодня Вселенной. Означает ли это, что в будущем замрут все процессы, не будет происходить активных движений физических форм материи, невозможно будет существование каких-либо сложных систем, а тем более разума в какой бы то ни было форме? Нет, такой вывод был бы неверен. Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедлены, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была, например, 10 28 К и происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10 -35 с, а пространственные масштабы были порядка 10 25 см. В подобных масштабах сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное, и чрезвычайно растянутое в пространстве По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь правда, в непривычных для нас формах и "пульс жизни будет биться все медленнее, но никогда не остановится".
Добавим к этому следующее: пока у нас речь шла о процессах, которые вытекают из надежно установленных физических законов, однако в будущем возникнут физические условия, недоступные нам в эксперименте (сверхнизкие температуры, малые плотности и т. д.), и вполне возможно проявление сил, возникновение процессов, совершенно нам пока неизвестных. А эти силы и процессы могут в корне изменить ситуацию.
Вот один из таких возможных процессов - распад вакуума, его превращение в расширяющейся Вселенной в реальное вещество. В прошлом, в упоминавшуюся уже эпоху 10 -35 секунды после начала расширения, - вакуум, вероятно, уже распадался, порождая частицы и античастицы больших энергий. Эта энергия соответствовала температуре 10 28 К, а плотность вещества составляла 10 75 г/см3. В современном вакууме (в том, что в просторечии называется пустотой) тоже, возможно, заключена некоторая плотность энергии. Но она если и есть, то очень мала и соответствует плотности массы не более чем 10 -28 г/см3, а может быть даже существенно меньше. Обнаружить такую плотность даже в астрономических наблюдениях крайне трудно. Теория полагает вероятным, что плотность массы вакуума в далеком будущем скачком перейдет в реальные частицы и античастицы, давая начало новым физическим процессам. Родившееся при этом вещество будет, конечно, разреженным, но все же несравненно более плотным, чем оставшееся к тому времени рассеянное вследствие расширения Вселенной "наше" вещество. Подобный "фазовый переход" вакуума может быть чрезвычайно существенным для судеб Вселенной. Так, в принципе этот переход может остановить расширение Вселенной и сменить его сжатием. Ясно, что при этом вся нарисованная нами картина будущего Вселенной изменится в корне.
И еще одно замечание. Речь шла о будущем Вселенной с учетом того, что нейтрино всех сортов представляют собой излучение,- предполагалось, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю. В современной физике считается весьма вероятным, что масса покоя нейтрино хоть и очень мала, но не нулевая.
Влияния этого факта на судьбы Вселенной могут быть двоякого рода. Если масса покоя нейтрино очень мала, скажем, в сотни тысяч раз меньше массы электрона, то тяготение, создаваемое этой частицей в масштабах Вселенной, тоже очень мало и не оказывает никакого действия на темпы расширения. Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не как плотность массы фотонов (которая, как мы помним, обратно пропорциональна четвертой степени размера), а как плотность массы обычных частиц (обратно пропорционально кубу размера) и в электронно-позитронной плазме будет постоянная малая примесь нейтрино (и антинейтрино), имеющих массу покоя. Если же окажется, что масса покоя нейтрино близка к предсказываемому верхнему возможному пределу (примерно 0,00005 массы электрона), то суммарная масса всех этих частиц во Вселенной получится чрезвычайно большой, а средняя плотность вещества превысит критическую (10 -29 г/см3), и в будущем тяготение нейтрино остановит расширение Вселенной. Это может случиться гораздо раньше, чем распадется все ядерное вещество, и даже раньше, чем погаснут. все звезды. Тогда в будущем Вселенную снова ожидает сверхгорячая фаза со сверхбурными физическими процессами.
Как видите, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным. Но, конечно же, серьезные изменения во Вселенной (по сравнению с нынешним ее состоянием) во всех случаях могут начаться очень нескоро, не только в житейских, но и астрономических масштабах, как минимум через десятки, а может быть, тысячи миллиардов лет. Это во много раз больше нынешнего возраста видимой нами Вселенной, которой никак не больше 10 - 15 миллиардов лет от начала расширения.
