Наука - Судьбы мироздания

Наука - Судьбы мироздания

Варианты Армагеддона
Все распались мезоны, / Все распались нейтроны, / Излучился весь видимый свет. / По закону Кулона / Разлетелись протоны, / На лептоны надежды нет. (Д. Фроман, «Баллада об астронавте» из книги «Физики шутят»)

Десяток лет назад в космологии доминировали две модели эволюции космоса, основанные на общей теории относительности (ОТО). В открытой модели Вселенная расширяется вечно, но скорость ее расширения монотонно сокращается и стремится к положительному пределу. В закрытой модели расширение сменяется сжатием. Все зависит от того, будет ли в начале процесса расширения средняя плотность энергии космической материи больше или меньше некого критического значения. Астрономические данные привели ученых к выводу, что в сумме средняя энергетическая плотность всех известных видов вещества и излучения и гипотетической темной материи составляет всего 30% от критического показателя.

Однако в 1998 году наблюдения за очень далекими сверхновыми привели астрономов к выводу, что скорость расширения Вселенной не падает, а, наоборот, возрастает! Такая возможность раньше рассматривалась лишь чисто теоретически. Сейчас принято считать, что отношение полной плотности энергии к критическому значению лишь чуть-чуть меньше единицы. Для подсчета этой полной плотности надо добавить еще одно слагаемое, энергию вакуума (ее также называют темной энергией). Эта энергия противостоит силе тяготения и, следовательно, вызывает расширение пространства. По последним данным, она не играла существенной роли в течение первой половины жизни Вселенной, но около шести миллиардов лет назад по непонятной причине включилась в работу.

Чтобы вакуум действовал как антигравитатор, плотность его энергии должна быть положительной. Наблюдение за дальними сверхновыми показало, что Вселенная ускоряет свое расширение очень медленно. Это означает, что плотность энергии вакуума все же достаточно мала. Если такая ситуация сохранится и в будущем, то Вселенная до скончания времени будет расширяться с очень плавным ускорением. Этот сценарий (с темной энергией или без нее) называют Большой заморозкой (Big Freeze).

Но есть и альтернатива – если темная энергия наберет силу, темпы расширения резко возрастут и Вселенная буквально взорвется, причем за сравнительно короткое время. Этот вариант называется Большим разрывом (Big Rip).

Холодные похороны

Наиболее подробно «морозильный» сценарий разработали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин как раз накануне открытия ускоренного расширения Вселенной – в 1997 году. Они выполняли свои вычисления на базе стандартной открытой модели без учета энергии вакуума. Согласно их модели, история нашей Вселенной насчитывает четыре эры.

Звездная эра началась через сотню миллионов лет после Большого взрыва.

Во Вселенной стали возникать первые звезды и началась интенсивная генерация энергии за счет термоядерного синтеза в звездных недрах. Эти процессы продолжаются и сейчас, но Адамс и Лафлин вычислили, что звездообразование закончится, когда Вселенной исполнится 10¹⁴ лет. К этому времени в космическом пространстве больше не останется свободного водорода, способного стягиваться гравитацией в газо-пылевые облака, дающие начало новым звездам. Тогда же прекратятся и ядерные реакции в самых легких (0,08–0,3 массы Солнца) и потому долгоживущих звездах, красных карликах. Все прочие светила еще раньше исчерпают термоядерное топливо. Звезды с массой до 8–12 солнечных масс закончат свое существование остывающими белыми карликами, на месте более тяжелых светил (до 25–30 масс Солнца) возникнут нейтронные звезды, а звезды-сверхгиганты дадут начало черным дырам. Звездная эра закончится.

Эра вырождения охватывает промежуток 10¹⁵–10³⁷ лет.

От сверкавших некогда термоядерных светил остались нейтронные звезды и белые карлики. Есть еще «несостоявшиеся» звезды – коричневые карлики, водородные тела с массой от 10 до 80 масс Юпитера (0,01–0,08 массы Солнца). Они слишком легки для поджога термоядерной реакции, но нагревают свою поверхность до шести-семи сотен градусов за счет гравитационного сжатия. Наличествуют также планеты, планетоиды и прочая космическая мелочь. И конечно, копятся черные дыры. Дыры-супергиганты, которые в звездную эру сформировались в активных ядрах большинства галактик, продолжают глотать вещество и увеличивать размеры и массу. К ним добавляются дыры звездных масштабов, наследницы самых массивных светил. Случается, что дыры сливаются друг с другом и с нейтронными звездами и еще больше распухают. Далее прогноз становится менее определенным. Как известно, свободные нейтроны быстро распадаются на протоны, электроны и антинейтрино (бета-распад), а потому выживают либо в составе атомных ядер, либо внутри сверхплотных нейтронных звезд. Протоны тоже не вечны, так сегодня считают большинство физиков. Период их полураспада пока точно не определен, но, по оценкам, он превышает 10³² лет. Адамс и Лафлин заложили в свою модель куда большее значение – 10³⁷ лет. Это означает, что к концу эры вырождения распадется каждый второй из 10⁷⁸ протонов, возникших после Большого взрыва. Распад протона может осуществляться разными путями, но все же доминирует канал с образованием нейтрального пи-мезона и позитрона. Первая частица превращается в два высокоэнергетичных фотона, а вторая делает то же самое после аннигиляции с электроном. Таким образом, один протон дает начало четырем гамма-квантам. Следовательно, в конце эры вырождения обычное вещество в составе планет и белых карликов начнет превращаться в излучение. Исчезновение протонов сулит смерть и нейтронным звездам. Они покрыты коркой обычного вещества, которое испарится при протонном распаде. На оголенной поверхности звезды плотность нейтронной материи относительно невелика, и нейтроны начинают исчезать в бета-распадах. Финал все тот же – вещество дает начало излучению.

Эра черных дыр приходится на промежуток 10³⁸–10¹⁰⁰ лет.

В это время исчезнут практически все барионы (протоны и нейтроны), и единственными макрообъектами Вселенной останутся черные дыры. Однако и они постепенно испарятся в излучение и исчезнут во взрывах (см. статью «Удивительная история черных дыр»). Супермассивная дыра, успевшая заглотить крупную галактику (порядка ста миллиардов солнечных масс), может протянуть не более 10⁹⁸ лет. Так что к концу этой эпохи дыры практически исчезнут.

Темная эра наступит, когда возраст мироздания превысит 10¹⁰⁰ лет.

Из былого богатства материи останутся лишь кванты электромагнитного излучения почти нулевой температуры и стабильные лептоны (нейтрино, электроны и позитроны). Некоторые электроны и позитроны образуют связанные пары (атомы позитрония), поперечник которых может составлять триллионы световых лет. Эти частицы будут сближаться по спирали и в конце концов тоже аннигилируют (через 10¹⁴¹ лет). Оставшиеся в неимоверно разбухшем космосе свободные электроны и позитроны встречаться не будут, а посему и не исчезнут. Это и есть космологическая тепловая смерть в самом чистом виде.

Оправдается ли этот прогноз, сделанный в 1997 году? «Я полагаю, что сценарий Большой заморозки вполне убедителен до сих пор, – говорит «Популярной механике» профессор Мичиганского университета Фред Адамс. – Теперь мы знаем, что Вселенная расширяется с небольшим ускорением. Это означает, что космическое пространство опустеет быстрее, нежели в наших расчетах, но в остальном мало что изменится». Профессор Калифорнийского университета Грегори Лафлин добавляет: «Космологическая тепловая смерть все же не означает беспредельного охлаждения. Девять лет назад мы считали, что температура Вселенной будет стремиться к абсолютному нулю. Однако недавно было показано, что благодаря ненулевой энергии вакуума температура реликтовых фотонов при любом расширении пространства не упадет ниже 10^–27 К».

Гравитационная разрыв-трава

Сценарии Большого разрыва рассматривают с начала 1980-х годов. Наиболее экзотический из них в 2003 году предложили Роберт Калдвелл, Марк Камионковски и Невин Вейнберг. В соответствии с их моделью, все возрастающее увеличение темной энергии приведет к вселенскому антиколлапсу. Ждать этого не так уж и долго – всего 20 миллиардов лет. За миллиард лет до этого срока скорость расширения пространства возрастет до такой степени, что кластеры галактик потеряют всякую устойчивость и начнут разрушаться. Распад Млечного Пути начнется за 60 миллионов лет до рокового финала. За три месяца до него послесолнечный белый карлик не сможет удерживать оставшиеся планеты, и меньше чем за час расширяющееся пространство разорвет и их. А затем придет очередь пылевых частиц, атомов, атомных ядер и даже протонов и нейтронов, которые распадутся на кварки и глюоны. Это-то и будет настоящим концом света.

Смертельный пузырек

Не все модели эволюции Вселенной относят ее гибель в далекое будущее. Существует сценарий, согласно которому финал может наступить даже завтра. Впервые он был предложен московскими физиками М.Б. Волошиным, И.Ю. Кобзаревым и Л.Б. Окунем в 1975 году, однако в их работе содержались ошибки. Спустя пять лет американцы Сидни Коулман и Фрэнк Де Луччиа уточнили этот сценарий. В то время считалось, что вакуум нашего мира, скорее всего, является истинным (см. врезку) и обладает нулевой энергией. Коулман и Де Луччиа, напротив, предположили, что наш вакуум фальшивый, то есть находится в чрезвычайно долгоживущем (как говорят физики, метастабильном) возбужденном состоянии с положительной энергией. Они показали, что механизм квантового туннелирования делает возможным спонтанное превращение ложного вакуума в истинный в крошечной области пространства. Родившийся пузырек истинного вакуума станет расширяться, порождая внутри себя материю с абсолютно новыми физическими свойствами и полностью уничтожая наш фальшиво-вакуумный мир. Где бы такой пузырь ни возник, до нас он доберется со скоростью света и, следовательно, без всякого предупреждения.

Аналог этого сценария возникает и в новейшей версии квантовой гравитации, основанной на теории суперструн. «Эта теория также предполагает, что вакуум метастабилен. Он может туннелировать в состояние с нулевой плотностью энергии, но может случиться и так, что эта плотность окажется отрицательной. В первом случае наш мир обретет еще шесть пространственных измерений, то есть пространство-время станет уже не четырехмерным, а десятимерным. Разумеется, это будет мир с совершенно другой физикой, мы там не выживем. Второй вариант похуже. Если плотность вакуумной энергии где-то упадет ниже нуля, космос будет поглощен пузырем всеобщего коллапса, расширяющимся со скоростью света, – объясняет профессор Стэнфордского университета Андрей Линде. – Коулман и Де Луччиа допускали последнюю возможность, однако не принимали ее всерьез. В конце мая мы с коллегами опубликовали расчеты, из которых следует, что этот вариант нельзя сбрасывать со счетов. Однако он не означает конца всей Мультивселенной, поскольку в ней будут появляться новые миры, рожденные космической инфляцией. Так что мироздание как целое все же бессмертно».

Стягивающийся космос

Закрытые модели мироздания не отличаются особым разнообразием. Вселенная еще какое-то время будет расширяться, в силу чего температура реликтового космического излучения (которая сейчас равна 2,7 К) продолжит падать. Далее такое расширение сменится сжатием, скорость которого будет непрерывно увеличиваться.

Галактики станут сближаться, температура реликтовых фотонов возрастет, пространство-время будет искривляться все сильнее и сильнее, и в конце концов мироздание исчезнет в квантовой сингулярности. Фактически, это Большой взрыв с обратным знаком.

Сейчас плотность космической энергии меньше критической, и этот сценарий вроде бы не имеет шансов на реализацию. Однако из некоторых квантовых теорий гравитации следует, что в будущем темная энергия может изменить знак и начать работать не на расширение, а на сжатие пространства. В этом случае коллапс мироздания может стать реальностью. Любопытно, что согласно кое-каким расчетам его придется ожидать примерно столько же, сколько и Большого разрыва – 10–20 миллиардов лет.

Вселенские маятники

Существуют сценарии циклически пульсирующего мироздания, многократно рождающегося из сингулярностей, претерпевающего расширение и сжатие и вновь гибнущего в коллапсе – этакий вселенский маятник, качающийся из стороны в сторону, с постепенно затухающими колебаниями. В 2005 году такую модель с циклами длительностью порядка триллиона лет предложили американец Пол Стейнхардт из Принстонского университета и его британский коллега Нейл Тьюрок из Кембриджа. В их сценарии от колебания к колебанию вакуум многократно переходит на все более низкие энергетические уровни, что и служит причиной катаклизмов. Эта модель хороша тем, что может объяснить то, что не объясняют другие модели, например, что было до Большого взрыва. Но в конце концов у Вселенной, как у пружинных часов, просто «закончится завод» – плотность вакуумной энергии достигает истинного минимума, и вот тогда Вселенная коллапсирует окончательно и бесповоротно. Впрочем, ждать этого придется очень долго.

Вакуум: оригинал и фальшивка

По обычным представлениям, вакуум – это просто отсутствие чего бы то ни было, то есть обычная пустота. Однако это бытовое определение не подходит ученым, изучающим квантовую теорию поля. Физики считают, что вакуум – не абсолютная пустота, а весьма сложная динамическая система с множеством степеней свободы. В нем отсутствуют реальные частицы, однако (в силу квантовых соотношений неопределенностей) постоянно рождаются и исчезают их виртуальные аналоги. Если вакуум пребывает в состоянии с минимально возможной энергией, его называют истинным. Однако вакуум может обладать и возбужденными состояниями с более высокими значениями энергии. Такой вакуум называют фальшивым. Кстати, теория инфляционного расширения новорожденной Вселенной как раз исходит из того, что на этой стадии энергия ложного вакуума была чрезвычайно высока.
Прав ли классик?

152 года назад 33-летний профессор Кенигсбергского университета Герман Гельмгольц опубликовал статью «О сохранении природных сил», содержащую один из самых пессимистических прогнозов за всю историю науки. Он исходил из внешне простого постулата, сформулированного четырьмя годами ранее Рудольфом Клаузиусом: тепло никогда само по себе не переходит от холодного тела к нагретому (исторически это было первой формулировкой второго закона термодинамики). Гельмгольц пришел к выводу, что температуры различных участков космического пространства со временем сравняются и все макроскопические процессы навеки прекратятся. Это невеселое предсказание получило название «гипотезы тепловой смерти Вселенной».

Гипотезу тепловой смерти много раз опровергали, подтверждали и опять опровергали. Сегодня почти все космологи согласны, что наше мироздание возникло как резуль-тат Большого взрыва сверхмикроскопического (не более 10^–33 см в поперечнике) пузырька первичной квантовой «пены», о природе которой мало что известно. Сначала размеры Вселенной удваивались примерно каждые 10^–34 секунды (эта стадия называется инфляционной), но после одной-двух сотен таких единиц времени стали расти значительно медленней. После этого акта рождения прошло около 14 миллиардов лет, и все это время Вселенная непрерывно увеличивалась. Сначала материя отличалась высокой степенью однородности, а затем под действием гравитации стала стягиваться в упорядоченные космические структуры (звезды, галактики, скопления галактик, планеты). Расширяющаяся Вселенная не может перейти в термодинамически равновесное состояние с полностью выравненной температурой. Так что классическая модель тепловой смерти выглядит явно ошибочной. Но допустим, что в очень далеком будущем космос будет заполнен одним лишь электромагнитным излучением и одиночными стабильными частицами, значительно отдаленными друг от друга и не взаимодействующими друг с другом. Из-за разбухания Вселенной это излучение станет распределяться по все возрастающему объему и поэтому охлаждаться. Формально такое состояние (его принято называть космологической тепловой смертью) не тождественно прогнозу Гельмгольца, однако фактически сильно на него похоже. Многие сценарии эволюции расширяющейся Вселенной имеют именно такой финал. Так что по существу классик оказался прав.