Большое сжатие, Большое замерзание или Большой разрыв

Первый вариант — Большое сжатие. Согласно этому сценарию, расширение Вселенной постепенно замедлится, затем остановится и начнется обратный процесс. Галактики со временем перестанут разбегаться и начнут сближаться. Далекие звезды будут подходить все ближе и ближе, температура резко повысится. Со временем все звезды сольются в первозданную перегретую массу. В некоторых сценариях предусматривается даже Большой отскок и новый Большой взрыв, после которого все начнется сначала.

Второй вариант — Большое замерзание, тепловая смерть Вселенной. Расширение Вселенной будет беспрепятственно продолжаться. Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия системы всегда возрастает, так что со временем Вселенная остынет, так как вещество и тепло рассеются. Звезды перестанут сиять, ночное небо станет совершенно черным, а температура упадет почти до абсолютного нуля, когда даже молекулы практически прекратят всякое движение.

Несколько десятков лет астрономы пытаются понять, который из этих сценариев определяет судьбу Вселенной. Делается это путем вычисления средней плотности. Если Вселенная обладает достаточной плотностью, тогда ей хватит вещества и тяготения, чтобы притянуть далекие галактики и обратить расширение вспять. Тогда реалистичным становится сценарий Большого сжатия. Если же во Вселенной недостает массы, тяготения не хватит, чтобы обратить расширение вспять, то Вселенной грозит Большое замерзание, тепловая смерть. Критическая плотность, разделяющая два этих сценария, составляет примерно 6 атомов водорода на кубический метр.

Однако в 2011 г. Нобелевскую премию по физике получили Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт за открытие, которое перевернуло бытовавшие десятки лет представления. Ученые обнаружили, что расширение Вселенной не только не замедляется, а, напротив, ускоряется. Нашей Вселенной 13, 8 млрд лет, но около 5 млрд лет назад она начала ускоряться экспоненциально, и сегодня Вселенная разбегается во всех направлениях. Журнал Scientific American писал: «Астрофизическое сообщество с изумлением узнало, что Вселенная пошла вразнос». Астрономы пришли к этому поразительному выводу, анализируя взрывы сверхновых в отдаленных галактиках; они хотели определить, с какой скоростью расширялась Вселенная миллиарды лет назад. (Взрывы одного из типов сверхновых, а именно типа Ia, обладают фиксированной светимостью, и мы можем точно измерить расстояние до них по их блеску. Если у кого-то имеется фонарь известной светимости, легко определить, как далеко этот человек находится, но, если вы не знаете, насколько яркий у него фонарь, оценить расстояние трудно. «Фонарь» известной светимости называют стандартной свечой или объектом стандартной светимости. Сверхновая типа Ia — именно такой объект, так что расстояние до нее определить несложно.) Ученые обнаружили, что эти сверхновые движутся от нас прочь, в точности как ожидалось. Удивительно было другое: обнаружилось, что более близкие сверхновые убегают от нас стремительнее, чем должны были бы, и это свидетельствует о том, что расширение ускоряется.

Таким образом, вдобавок к Большому замерзанию и Большому сжатию начал вырисовываться третий возможный сценарий — Большой разрыв. Он напоминает Большое замерзание в гипертрофированном виде и представляет собой сильно сжатый во времени жизненный цикл Вселенной.

Согласно сценарию Большого разрыва, далекие галактики со временем начнут отдаляться от нас так быстро, что превысят скорость света, — и исчезнут из виду. (Это не противоречит специальной теории относительности, ведь само пространство расширяется со сверхсветовой скоростью. Материальные объекты не могут двигаться быстрее света, но пустое пространство может растягиваться и расширяться с любой скоростью.) Ночное небо станет черным, поскольку свет далеких галактик будет отдаляться так быстро, что не сможет до нас дойти.

Со временем это экспоненциальное расширение настолько усилится, что разорвет не только Галактику, но и Солнечную систему. Мало того, даже атомы, из которых строятся наши тела, будут разорваны. Вещества в том виде, каким мы его знаем, на финальных стадиях Большого разрыва уже не будет.

Журнал Scientific American пишет: «Галактики будут разрушены, как и связи в Солнечной системе, а со временем все планеты рассеются в пространстве, когда стремительное расширение пространства разорвет на части даже их атомы. В конечном итоге наша Вселенная закончит свое существование взрывом. Это будет сингулярность бесконечной в буквальном смысле энергии».

Великий британский философ и математик Бертран Рассел когда-то написал:

Вся преданность, все вдохновение, весь полуденный блеск человеческого гения обречены на исчезновение в масштабной смерти Солнечной системы, и весь храм достижений человека будет неизбежно погребен под обломками разрушенной Вселенной… Только внутри ограды этих истин, только на прочном основании непреходящего отчаяния может отныне строиться надежное обиталище души.

Рассел писал о «руинах Вселенной» и «непреходящем отчаянии» в ответ на предсказания физиков о неизбежной гибели Земли. Но он не предвидел появления космической программы. Он не предвидел, что технический прогресс, возможно, позволит нам избежать участи нашей планеты.

Но если гибель Солнца нам, возможно, помогут пережить космические корабли, то как пережить гибель самой Вселенной?

Огонь или лед?

Древние предвидели в каком-то смысле многие из этих жутких сценариев.

Кажется, в каждой религии имеются мифы, в которых рассказывается о рождении и смерти Вселенной.

В скандинавской мифологии Сумерки богов называются Рагнарёк — день расплаты, когда мир покроют снега и льды, а небеса замерзнут. Мир станет свидетелем окончательной битвы между ледяными великанами и богами Асгарда. В христианской мифологии есть Армагеддон, когда силы добра и зла сойдутся в последней битве. Предвещая Страшный суд, явятся четыре всадника Апокалипсиса. В индуистской мифологии окончательный конец отсутствует, вместо него имеется нескончаемая цепочка повторений, каждый цикл которой продолжается около 8 млрд лет.

После нескольких тысяч лет предположений и гаданий наука начинает понимать, как наш мир будет развиваться дальше и как он со временем умрет.

Будущее Земли поглотит огонь. Через 5 млрд лет или около того на нашей планете наступит последний погожий день, а затем Солнце исчерпает запасы водородного топлива, расширится и превратится в красный гигант. Небеса вспыхнут. Океаны закипят, а горы расплавятся. Земля будет поглощена Солнцем и станет, как прогоревший уголек, обращаться вокруг светила внутри его яростной атмосферы. Можно вспомнить Библию, где говорится: пепел к пеплу, прах к праху. Физики говорят, из космической пыли мы возникли, в космическую пыль и вернемся.

Само Солнце ожидает иная судьба. После фазы красного гиганта оно со временем истощит все свое ядерное топливо, сожмется и остынет. Оно станет маленьким белым карликом размером с Землю, а в конечном итоге остынет, потемнеет и умрет, став кусочком ядерного мусора, дрейфующим в Галактике.

В отличие от нашего Солнца, галактика Млечный Путь погибнет в огне. Примерно через 4 млрд лет она столкнется с галактикой Андромеды — ближайшей к нам спиральной галактикой. Галактика Андромеды примерно вдвое больше Млечного Пути, так что процесс будет проходить по сценарию недружественного поглощения. Компьютерное моделирование столкновения показывает, что две галактики, обращаясь друг вокруг друга, начнут смертельный танец. Андромеда оторвет от Млечного Пути рукава, оставив только центральную часть. Черные дыры в центре обеих галактик будут летать друг вокруг друга и в конечном итоге столкнутся, слившись при этом в одну большую черную дыру. Из столкновения родится новая гигантская эллиптическая галактика.

В каждом из этих сценариев важно понимать, что перерождение тоже входит в этот космический цикл. Звезды и галактики идут на переработку. Так, наше Солнце является, по всей видимости, звездой третьего поколения. Каждый раз, когда звезда взрывается, пыль и газ, которые она выбрасывает в пространство, становятся зародышами следующего поколения звезд.

Кроме того, наука дает нам представление о жизненном цикле всей Вселенной. До недавнего времени астрономы считали, что понимают историю Вселенной и ее дальнейшую судьбу на триллионы лет вперед. Они говорили, что Вселенная медленно проходит пять этапов:

1. В первую эпоху — первые 150 млн лет после Большого взрыва — Вселенную наполняло вещество, поначалу слишком горячее для того, чтобы электроны и протоны могли собраться в атомы.

2. Во вторую эпоху, начавшуюся примерно через 150 млн лет после Большого взрыва, Вселенная остыла достаточно, чтобы из хаоса появились звезды и галактики. Звезды впервые осветили Вселенную. Мы живем именно в эту эпоху.

3. В третью эпоху — примерно 100 млрд лет после Большого взрыва — звезды в основном исчерпают свои запасы ядерного топлива. Вселенная будет состоять преимущественно из маленьких красных карликов, которые горят так медленно, что могут светить триллионы лет.

4. В четвертую эпоху — триллионы лет после Большого взрыва — все звезды наконец выгорят и во Вселенной станет совершенно темно. Останутся только мертвые нейтронные звезды и черные дыры.

5. В пятую эпоху даже черные дыры начнут испаряться и распадаться, Вселенная превратится в море ядерных отходов и дрейфующих субатомных частиц[1].

 

После открытия, связанного с ускорением расширения Вселенной, весь этот сценарий, возможно, следует сжать до нескольких миллиардов лет. Большой разрыв спутает все карты.

Темная энергия

Что вызывало такие резкие перемены в наших представлениях об окончательной судьбе Вселенной?

Согласно теории относительности Эйнштейна, существуют два источника энергии, которые являются движущей силой эволюции Вселенной. Первый из них — кривизна пространства-времени, создающая знакомые нам гравитационные поля вокруг звезд и галактик. Именно эта кривизна удерживает наши ноги на поверхности земли. Этот источник энергии лучше всего изучен астрофизиками.

Но существует и второй источник, на который обычно не обращают внимания. Это энергия пустоты, энергия вакуума, известная как темная энергия (не путать с темной материей). Сама пустота космоса содержит в себе энергию[2].

Новейшие расчеты показывают, что темная энергия работает как антигравитация и расталкивает Вселенную в разные стороны. Чем сильнее расширяется Вселенная, тем больше в ней темной энергии — а та, в свою очередь, заставляет Вселенную расширяться еще быстрее.

В настоящее время лучшие из имеющихся данных указывают на то, что около 69% вещества/энергии (поскольку вещество и энергия взаимозаменяемы) во Вселенной содержится в виде темной энергии. (Для сравнения: темная материя составляет около 26%, атомы водорода и гелия — около 5%, а на более тяжелые элементы, из которых состоят Земля и наши тела, приходится крохотная доля в 0, 5%.) Так что темная энергия, которая отталкивает галактики прочь от нас, представляет собой, очевидно, главенствующую силу во Вселенной, которая намного превосходит ту энергию, что заключена в кривизне пространства-времени.

Исходя из этого, можно сказать, что одна из центральных проблем космологии — разобраться в происхождении темной энергии. Откуда она берется? Погубит ли она в конечном итоге Вселенную?

Обычно, когда мы просто принудительно соединяем вынужденным браком теорию относительности и квантовую теорию, мы можем получить предсказание темной энергии, но это предсказание расходится с реальностью в 10¹²⁰ раз. И это, безусловно, крупнейший промах в истории науки. Подобного расхождения вы не обнаружите больше нигде. Значит, в наших представлениях о Вселенной что-то обстоит «сильно не так», а единая теория поля, бывшая прежде чем-то вроде научной диковинки, становится жизненно необходимой теорией, без которой невозможно понять, как все устроено. Решение этой проблемы позволит нам узнать окончательную судьбу Вселенной и всех разумных существ в ней.

⇐ Предыдущая49505152535455565758Следующая ⇒

Поделиться: