Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
Тьма. Небытие. Пустота.
Все во мраке. Чернильное небо не усыпано звездами, не видно галактик.
Все они уже давно мертвы, исчезли, распались, когда составляющие их элементы разложились, превратившись в ничто.
Бессчетное количество лет во Вселенной ничего не происходит. Это холодная, практически совершенная пустота.
Так продолжается триллионы триллионов лет. Но затем, внезапно, в одном крошечном уголке Вселенной, ничем не отличающемся от других, происходит скачкообразный фазовый переход. Эта переориентация самой структуры пространства и времени разрастается, как кристаллы, образующиеся в насыщенном растворе. Она распространяется практически со скоростью света, охватывая все больше и больше пространства.
А за ней... не остается ничего. Или во всяком случае ничего, что мы в состоянии понять. Материя, энергия, даже пространство и время в кильватере этого квантового пузыря разрушены, трансформированы.
Когда все закончилось, пузырь поглотил всю Вселенную целиком. А о том, что осталось после этого, мы, пожалуй, никогда не узнаем.
Вы, возможно, знакомы с понятием экспоненциального представления: использование степеней для записи очень больших или очень маленьких чисел. Вместо 10 000 000 000 легче написать 1010: единица с десятью нулями. Точно так же очень маленькие числа записываются с помощью отрицательной степени: 10–7 = 0,0000001 (единица на седьмом месте справа от десятичного разделителя). В этой главе много экспоненциальных записей, потому что числа, которые в ней упоминаются, очень быстро станут сногсшибательно большими. Однако такой подход вносит небольшую ошибку в суждения наших не так давно эволюционировавших мозгов, которая может обмануть даже тех из нас, кто знаком с такой формой представления.
Похоже, что число 1012 лишь немного больше, чем 1011, но на самом деле оно в 10 раз больше (1 триллион по сравнению со 100 миллиардами). Хуже того, кажется, что 1020 всего в два раза больше 1010, но на самом деле оно в 10 млрд раз больше! Даже тем, кто знаком с таким представлением, бывает сложно оценить порядок числа с первого взгляда. Прямо сейчас Вселенной всего чуть больше 10 млрд лет: 1010. Но в далеком, далеком будущем, когда ей наступит 1020 лет, период времени в 10 млрд лет будет крохотной, крохотной долей от общего возраста Вселенной. Не забывайте об этом, потому что, когда мы закончим, даже 1020 покажется бесконечно малым отрезком времени по сравнению с продолжительностью нашего путешествия.
До сих пор мы рассматривали серию отдельных событий, сеющих разрушения на нашей маленькой планете: взрывающиеся звезды на любой вкус, катастрофические столкновения, смерть Солнца.
Разумеется, это увлекательные события, и, конечно же, именно мощные огненные взрывы попадают в заголовки газет. Дерево, пораженное молнией и сгоревшее дотла, может оказаться в местных новостях, а то, которое просто разрушается изнутри и через 50 лет падает, прогнив насквозь, никто даже не заметит.
Но, даже если мы никогда не столкнемся с астероидом и нас не изжарит гамма-всплеск, Земля стареет. Всё стареет. Даже если нам удастся пережить смерть Солнца, как мы переживем старение самой Вселенной?
Ответ, безусловно, покажется мрачным: никак. Пока вы читали эту книгу, Вселенная состарилась. Может, на неделю, может, на несколько дней, если вы читаете быстро, и в течение этого времени Солнце израсходовало несколько триллионов тонн водорода, звезды взрывались, а объем Вселенной увеличился. Мы все стали немного старше, и космос тоже. Когда вы закончите эту книгу и поставите ее на полку, она будет стареть. Она будет постоянно стареть. Это неизбежно: она будет на год старше, на десять лет, на тысячу. К тому времени она превратится в пыль, без сомнения, но и атомы в той пыли также будут стареть. В один прекрасный день они будут на миллионы лет старше, на миллиарды. На триллионы.
Но даже этот срок — микроскопическая капля в океане времени. Время вполне может длиться вечно, и триллион лет будет подобен мгновению ока. Вселенная продолжит стариться и, старея, будет меняться. Изменения будут кардинальными: это не просто смерть массивных звезд и столкновения галактик, сама природа Вселенной и объектов в ней изменится фундаментально за промежутки времени настолько длительные, что у нас нет для них даже слов.
Как будет выглядеть Вселенная через триллион триллионов триллионов лет? А если умножить этот возраст на триллион?
По-другому. Она будет выглядеть по-другому. Но мы никогда не узнаем: нас к тому времени уже не будет, и мы этого не увидим. И здесь я имею в виду не просто человечество, не просто жизнь, какой мы ее знаем. Даже материя, какой мы ее знаем, не доживет и не увидит космос на том этапе.
Время никого не ждет. Но глубокое время не ждет ничего. Даже материю.
Единственный способ понять картину будущего — сначала обернуться и посмотреть назад, в самое начало, в начало Вселенной. Может показаться, что это было так давно, но обещаю, вскоре это будет казаться вчерашним днем.
В начале не было ничего.
Потом появилось все.
Может быть, это как-то слишком кратко. Да, оказывается, подробности важны.
Наше понимание начала Вселенной — и ее дальнейшей судьбы — зависит от того, какие представления о ней мы имеем сейчас. Внимательно изучая подсказки, приходящие из космоса через наши телескопы, мы знаем удивительно много о том, чем занималась Вселенная в течение последних нескольких миллиардов лет. А еще удивительней, возможно, то, что, опираясь на существующие знания, мы много можем сказать о том, чем Вселенная будет заниматься в будущем... и в таком далеком будущем, что миллиарды лет покажутся всего лишь шелестом, одной секундой на космических часах.
Полагаю, что описанные ниже события выглядят научной фантастикой, так как спустя буквально мгновения после образования Вселенной и в умопомрачительно далеком будущем происходят очень странные дела. Однако, насколько мы можем сказать, это научный факт, основанный на надежных данных. Как и при любых других предположениях, не исключено, что нам неизвестны какие-то нюансы, важные для понимания того, что на самом деле происходило или что произойдет. Это суть науки: новые наблюдения и новые данные всегда ведут к уточнению результатов. Наука приближается к реальности, как функция к асимптоте, и сложно сказать, насколько далеко по кривой мы уже продвинулись.
Но, даже несмотря на это предостережение, будущее космоса увлекательно, хотя и сурово. Впрочем, как принято в науке и в рассказах, нам нужно начать с самого начала.
Да, и мне надо бы предупредить вас: самый рассвет и самый закат Вселенной — это время, когда все совершенно не похоже на то, что мы видим вокруг себя сейчас. Будьте готовы немного поработать мозгами.
Вселенная — это много, много всего — это буквально все, — но это также чертовски странное место.
Примерно 13,7 млрд лет назад (± 200 млн лет), произошел взрыв, породивший Вселенную.
Само это заявление создает довольно большую путаницу. Астрономы называют событие «Большой взрыв» или, точнее, мы используем термин «Большой взрыв» в качестве модели того, что, по нашему мнению, произошло. В чем разница? Ну, прежде всего, это событие не было ни большим, ни взрывом. Когда Вселенная внезапно возникла из небытия, ее размеры были меньше размеров протона, так что она не казалась ужасно большой. Да и взрыва никакого не было: скорее, это был хлопок или щелчок.
Наблюдая за современной Вселенной, мы можем перевести часы назад и выяснить, какой она была в прошлом. Мы обнаружили, что в прошлом Вселенная была более горячей и плотной. Чем дальше в прошлое мы уходим, тем она горячее и плотнее (верно и обратное: чем старше становится Вселенная, тем менее плотной и более холодной она становится). Она также уменьшается в размерах: сейчас Вселенная расширяется (подробнее об этом через минутку), поэтому в прошлом она была меньше. В конце концов, вы уходите достаточно далеко в прошлое, когда Вселенная была, по сути, всего лишь сингулярной точкой: бесконечно малым, бесконечно горячим, бесконечно плотным объектом.
Ну, это очень странно. И, вероятно, даже, строго говоря, неверно. Мы переводим стрелки часов назад, и Вселенная сжимается. В определенный момент мы видим ее размером с теперешнюю галактику, затем со звезду, затем с планету, затем с грейпфрут, затем с атом. Когда она становится меньше атома, причудливый мир квантовой механики снова поднимает голову. Один из самых фундаментальных законов квантовой механики заключается в том, что многие характеристики объектов связаны, и чем больше вы знаете об одном, тем меньше вы знаете о другом. Чем тщательней вы измеряете положение электрона, например, тем меньше вы знаете о его скорости. Чем больше вы узнаете об одном аспекте объекта, подчиняющегося законам квантовой механики, тем более ускользающим становится другое его свойство. Это очень похоже на космическую цензуру в крошечных масштабах. Чем сильнее мы вглядываемся, тем подозрительнее все становится.
В житейском смысле — и я даже не уверен, что слово «житейский» означает в таких масштабах! — это подразумевает, что мы мало что можем узнать о том, какой была Вселенная на самом деле, когда она была очень, очень маленькой. Наши уравнения и понимание законов физики много говорят о состоянии Вселенной, когда ей был всего один день от роду, один час, одна секунда... даже крошечная доля наносекунды. Но, если углубиться достаточно в прошлое, к тому моменту, когда Вселенной было буквально 10–43 секунды, наша физика сдается. Истинные начала Вселенной скрывает покров, который нам никогда не удастся приподнять.
Это еще одна причина, по которой ученые предпочитают не называть это событие Большим взрывом. Нам мало что известно о самом событии, был ли это взрыв или нет. Мы можем только выяснить, что произошло сразу после него.
Тем не менее вам должно быть любопытно узнать, что происходило до Большого взрыва. Это естественный вопрос, и к нему можно подходить двояко. Например, считать его лишенным смысла. Возможно, звучит как отговорка, но позвольте мне задать вам следующий вопрос: что к северу от Северного полюса?
Этот вопрос лишен смысла, правда? Если вы отправитесь на север, вы попадете на Северный полюс, вот и все. Дальше пути на север нет.
Так вот, помните, что само время было создано при Большом взрыве. До взрыва время не существовало, поэтому нет никакого «до него». Вопрос не имеет смысла.
Это как-то странно, даже для космологии и квантовой механики. Кроме того, этот ответ не удовлетворяет. Мы привыкли к тому, что все существует в течение имеющего пределы отрезка времени, являющегося частью более продолжительного отрезка времени. Симфонический концерт может начинаться в 19:00 и заканчиваться в 20:24. Но что-то происходило до того, как началась симфония (музыканты оркестра приехали в концертный зал, разогрелись, поднялись на сцену), и что-то будет происходить после (группа медных духовых инструментов продувает клапаны, музыканты покидают сцену, возвращаются домой и смотрят старый фильм «Остров Гиллигана» по телевизору). Итак, каким же образом может существовать начало времени, точка на оси времени, перед которой ничего нет?
Эта головоломка может иметь решение. Существуют теории, согласно которым Вселенная — это не единственное, что существует. Не исключено, что имеется что-то вроде Метавселенной, некая структура, в которую нам никогда не попасть, а наша Вселенная всего лишь часть ее. Эта вселенная возникла еще до того, как появилась наша, она выглядит практически как наша, в ней действуют такие же или похожие законы физики, определяющие ее поведение, включая квантовую механику. В главе, посвященной черным дырам, мы видели спонтанное зарождение частиц. Существует вероятность того, что в ткани пространства-времени этой другой вселенной может внезапно возникнуть крошечный всплеск, что-то наподобие зарождения частиц из ничего. При определенных условиях такая выпяченная область пространства и времени быстро стянется, но в царстве квантовой механики также вероятно то, что эта область увеличится. Что-то наподобие черной дыры; эта область отделена от большой вселенной, окружающей ее, и становится отдельной сущностью, своей собственной вселенной. Пространство и время, энергия и материя просто спонтанно возникают внутри. Через несколько миллиардов лет расширения наступает момент, когда начинают образовываться звезды, оформляются галактики, и на планете, затерянной где-то в том большом объеме пространства, человек, читающий книгу, почесывает в затылке и думает, что автор утратил разум.
В настоящее время мы не знаем наверняка, было ли что-то до того, как возникла наша Вселенная, и имеет ли смысл эта идея в принципе. Но когда теория Большого взрыва была впервые сформулирована, мы довольно много узнали о том, что происходило после первой 10–43 секунды.
Нам известно, что в своей жизни Вселенная уже прошла через несколько разных этапов. На самом раннем этапе, когда Вселенная все еще была невообразимо горячей и плотной, она представляла собой варево из причудливых субатомных частиц, перемешиваемое неведомыми силами. По мере расширения и охлаждения Вселенной в ней смогли образоваться и стать стабильными разные типы частиц (раньше они не могли существовать, потому что для них было слишком жарко, так кубик льда не продержится долго на горячей сковородке). Чтобы облегчить себе жизнь, физики разбили время существования Вселенной на разные отрезки, разные эпохи, в зависимости от того, какие частицы существовали и какие силы преобладали в то время.
Спустя всего одну миллисекунду (10–6 секунды) все достаточно успокоилось, и из густого супа субатомных частиц, называемых кварками, смогли образоваться протоны и нейтроны. Через одну секунду, всего один тик тикающих часов, наступил период нуклеосинтеза, когда условия были похожи на условия в ядре звезды. Благодаря теплу и плотности некоторые протоны и нейтроны смогли сблизиться и образовать устойчивые ядра. В течение примерно трех минут после начала периода нуклеосинтеза субатомные частицы сталкивались друг с другом и создали совершенно новый вид материи: гелий (два протона плюс два нейтрона). Образовалось даже чуть-чуть лития (три протона и три или четыре нейтрона), но никаких более тяжелых элементов — для образования углерода нужны более комплексные реакции, а у неона вообще не было шанса появиться.
Соответственно, вся материя во всей Вселенной состояла примерно на 75% из водорода и на 25% из гелия, плюс чуточку лития.
Не было ни кальция, ни железа, ни кислорода. Во всей той сущности не было ни звезд, ни планет, ни галактик. В тот момент все было довольно простым, всего лишь масса невероятно горячего газа, сплетенного в длинные нити и ленты и подернутого рябью: флуктуации в распределении космической материи, вызванные флуктуациями, возникшими при самом Большом взрыве.
Эти ленты вскоре начнут сжиматься под действием собственных сил тяготения. В момент времени около T + 400 млн лет, при условиях, которые до сих пор не вполне установлены, из материи образуются первые звезды. Примерно в это же время образуются и сами галактики, собирая разбросанные нити материи и создавая огромные, похожие на губки сплетения фантастических галактических скоплений, потоками заполняющие Вселенную.
И вот, через 13,7 млрд лет появляемся мы.
Вероятно, все это немного ошарашивает. Может даже показаться вздором! Это настолько за пределами нашей зоны комфорта, наших обычных мыслительных процессов, что может показаться, будто ученые просто все это выдумывают.
Уверяю вас, что нет. Существует логическая последовательность шагов, приводящая нас к пониманию ранней Вселенной.
Одним из первых представлять Вселенную единым целым начал немецкий астроном Генрих Ольберс. В начале 1800-х гг., когда Ольберс изучал небеса, считалось, что Вселенная была бесконечно старой и бесконечной по протяженности. Не было никакой причины думать иначе. Однако Ольберс осознал, что отсюда вытекает проблема. Если Вселенная бесконечна и населена звездами по всему объему, тогда вне зависимости от того, в каком направлении вы смотрите, рано или поздно вы увидите звезду. Неважно, насколько крошечный участок неба вы выберете для наблюдений, линия, протянутая от вас в космос в том направлении, должна когда-то упереться в звезду. Она может находиться в мириадах световых лет от нас, но, если Вселенная на самом деле бесконечна, это всего лишь легкая прогулка по сравнению с той бесконечностью.
И в этом-то заключается проблема. Чем дальше звезда, тем меньше ее кажущийся размер, разумеется, поэтому она также кажется более тусклой. Но уменьшение в размере и яркости компенсируется тем, что Вселенная бесконечна. Чем дальше, тем больше звезд, и более того, количество звезд увеличивается в тех же пропорциях, в каких уменьшается яркость. Эти два момента компенсируют друг друга. Поэтому, если считается, что небо полно звезд, буквально так, что между ними совсем не наблюдается пространства, тогда все небо должно светиться с такой же яркостью, как и сама звезда. Любому наблюдателю внутри такой Вселенной казалось бы, что небо такое же яркое, как и Солнце, куда ни посмотри.
Ясно, что такая Вселенная была бы непригодной для жизни. И так же ясно, что наша Вселенная ведет себя совсем по-другому.
Именно на это указал Ольберс, и сегодня эта головоломка называется парадоксом Ольберса. Какое-то время эта проблема озадачивала людей, а разгадка парадокса пришла из довольно удивительного источника: Эдгар Аллан По.
Да, именно тот По. Он не только писал страшные рассказы и депрессивные стихи, такие как «Ворон», но также был довольно глубоким мыслителем. Ему в голову пришла идея, что возможно, проблема лежит не во Вселенной, а в нашем представлении о ней: что, если Вселенная не была бесконечной в пространстве и (или) во времени? Если бы Вселенная была конечной в пространстве, тогда на определенном расстоянии от Земли звезды закончились бы. А если бы она была конечной во времени — то есть имела начало, — тогда свет от очень далеких звезд попросту еще не успел бы дойти до нас. Парадокс разрешен.
По сути, По был прав. В 1848 г. в своей книге «Эврика» он писал:
«Если бы непрерывность звезд была бесконечна, тогда бы заднее поле неба являло нам единообразную светящесть, подобную исходящей от Млечного Пути, — ибо, безусловно, не было бы точки на всем этом заднем поле, где не существовало бы звезды. Единственный способ поэтому, при таком положении вещей, понять пустоты, что открывают наши телескопы в бесчисленных направлениях, предположить, что рассеяние от незримого заднего поля так несметно, что ни один его луч доселе совершенно не мог нас достигнуть. Что это может быть так, кто решится отрицать? Я утверждаю, просто, что у нас нет даже тени причины веровать, что это так».
Для того времени это было революционным мышлением. Несмотря на то что с середины до конца XIX в. в обществе было принято считать, что Вселенная имеет начало, потому что именно это утверждается в Библии, ученых это как-то не очень удовлетворяло. По все изменил.
Менее чем 100 лет спустя астроном Эдвин Хаббл вместе с другими астрономами, такими как Весто Слайфер и Эллери Хейл, сделали одно из самых потрясающих открытий в истории науки: практически все галактики, которые они могли наблюдать, похоже, мчались прочь от нас. В это было столь сложно поверить, что потребовались годы наблюдений, чтобы убедить всех, но доказательства были неоспоримыми: сама Вселенная расширяется.
Это имело глубокие последствия. Если галактики разлетаются от нас, тогда со временем они становятся все более далекими. В свою очередь, это означает, что в прошлом они были ближе друг к другу. Если перевести космические часы достаточно далеко назад в прошлое, тогда в определенный момент времени каждая галактика, каждый фрагмент материи и энергии во Вселенной, должны были находиться в одной точке.
А значит, у Вселенной было начало, момент времени, когда все началось. Материя и энергия вырвались из той временной точки, постоянно расширяясь. Альберт Эйнштейн уже работал над общими уравнениями, определяющими поведение времени и пространства, когда группа Хаббла обнаружила космическое расширение, и новости об открытии привели его в восторг. Вскоре ученые признали, что работа Эйнштейна была верной и что саму Вселенную можно описать, используя математику.
Так сформировалась модель Большого взрыва.
С годами модель переделывали, уточняли, что-то добавляли, а что-то убирали. Когда астроном использует термин «Большой взрыв», он не просто имеет в виду ту точку сингулярности 13,7 млрд лет назад; он также подразумевает огромную работу, проделанную для того, чтобы модель соответствовала всему, что мы наблюдаем во Вселенной. И на деле, это одна из самых успешных научных теорий в истории.
Одним критическим фактором для подтверждения модели Большого взрыва является имеющая предел скорость света. Может показаться странным, но именно эта конечная скорость позволяет нам увидеть, чем Вселенная занималась в прошлом. Представьте, что скорость света была бы бесконечно большой. Если бы мы смотрели на галактику, находящуюся на расстоянии 10 млрд световых лет, мы бы видели ее такой, какая она прямо сейчас, именно в этот момент. Вероятно, она была бы очень похожа на нашу и мы мало что могли бы узнать от нее о Вселенной.
Но вместо этого у нас есть удивительная характеристика Вселенной: свет — не безгранично быстрый. Он очень быстрый, проходит 300 000 км за каждую секунду (это примерно 30 см в наносекунду, если вам так проще представить), но Вселенная столь велика, что луч света от какой-нибудь далекой галактики идет до нас очень долго.
Это означает, что мы видим галактики не такими, какие они прямо сейчас; мы видим их такими, какими они были в молодости. В этом отношении телескопы очень похожи на машины времени — чем дальше мы смотрим в пространство, тем дальше мы смотрим в прошлое. Как мы определили, какой была Вселенная 5 млрд лет назад? Легко: найдите галактики, которые находятся на расстоянии 5 млрд световых лет, и посмотрите на них.
А зачем на этом останавливаться? Наши телескопы огромны, а детекторы чувствительны. Мы видели галактики на расстоянии более 12 млрд световых лет, поэтому мы видим их такими, какими они были, когда самой Вселенной был примерно 1 млрд лет от роду. Благодаря этому мы на самом деле видим, как выглядели галактики, когда они были молодыми, и обнаруживаем, что происходит, когда они стареют.
Мы также можем находить и анализировать газ в пространстве между галактиками в удаленных областях Вселенной, который, в свою очередь, говорит нам еще больше о тех ранних условиях. Более того, радиотелескопы, настроенные на микроволновый диапазон спектра, обнаружили равномерное шипение, поступающее со всех сторон неба. Это шипение — не шум: в реальном смысле это остывающий свет от огненного шара рождения Вселенной. Спустя примерно 100 000 лет Вселенная расширилась и остыла достаточно, так что материя стала прозрачной для света, а значит, свет мог легко проходить сквозь нее. Раньше какой-нибудь фрагмент материи поглотил бы фотон, и тот не смог бы улететь очень далеко. Этот свет, получивший возможность свободно распространяться в пространстве, с тех пор «остыл» по мере расширения Вселенной и смог дойти до наших поджидающих приборов.
Эти характеристики — и многие, многие другие — дали нам изумительный ряд подсказок о поведении Вселенной. Поэтому у нас есть довольно хорошее понимание того, какой была Вселенная в прошлом, практически вплоть до самого ее рождения, почти 14 млрд лет назад.
А что насчет ее будущего? Можно ли использовать наши знания о физике и астрономии и экстраполировать их, чтобы определить потенциальную судьбу космоса?
Да, можно. Мы можем получить довольно правдоподобное представление о том, какой будет Вселенная еще через несколько миллиардов лет (например, наша округа очень скоро удивительно изменится). Впрочем, чем дальше мы заглядываем в будущее, тем больше затуманивается наш хрустальный шар, но с учетом всего, что мы наблюдаем и знаем, мы можем в общих чертах догадаться, что произойдет.
Я прямо вам скажу: для нас ничего хорошего. Если мы хотим выжить в далеком будущем — в прямом смысле далеком — нам придется настолько фундаментально измениться, что я бы даже уже не стал считать результат человеком. И даже в этом случае избежать будущей кончины Вселенной, возможно, не удастся.
Тем не менее еще есть надежда. Может быть, не для нас конкретно, но для тех, кто придет за нами. Может быть, никого за нами и не будет, но не исключено, что у Вселенной появится еще одна попытка.
По мере старения Вселенная кардинально изменяется. Меняются и временные рамки этих общих изменений, увеличиваясь по мере старения. Когда Вселенная была молодой, она изменялась быстро. Например, одно из первых серьезных изменений во Вселенной произошло всего через 10–35 секунды после того, как она была создана. Прежде все силы во Вселенной — гравитация, электромагнетизм и ядерные силы — были объединены в одну-единственную силу, и этот период так и называется — Эпоха великого объединения. Сегодня это совершенно разные силы, но, когда Вселенная была невероятно горячей и плотной, они были неразличимы. Однако сразу после того тонкого среза времени, последовавшего за рождением космоса, температура и плотность достаточно снизились и силы начали проявляться по-разному.
10–35 секунды — это невероятно короткий отрезок времени. Но этого было достаточно для того, чтобы Вселенная кардинально изменилась. Она прошла через множество таких изменений: снижение температуры и плотности до такой степени, что смогли образоваться протоны и электроны, после чего новое снижение, и эти частицы смогли объединиться и образовать более сложные элементы, затем появились звезды, галактики и, наконец, мы.
Космические эпохи можно определять по-разному. Хороший способ — посмотреть, что в тот момент генерирует больше всего энергии. Прямо сейчас это были бы звезды. Но со временем все звезды умрут и текущая эпоха завершится. Что потом?
Астрономы Фред Адамс и Грег Лафлин подробно рассмотрели эту идею в своей книге «Пять возрастов Вселенной» (The Five Ages of the Universe). Как следует из названия, они нашли пять способов разграничить время во Вселенной. До момента образования звезд продолжалась Первичная эпоха, с которой мы только что ознакомились. Сегодняшнюю эру звезд они назвали Эпоха звезд. После нее идут Эпоха распада, затем Эпоха черных дыр и, наконец, — угрожающе — Эпоха вечной тьмы. Временные рамки всех этих эпох поражают воображение и их сложно осознать. Читая ту книгу, я постоянно останавливался, чтобы посмеяться над числами. Возможно, это была защитная реакция с моей стороны — некоторые, например, свистят, проходя мимо могилы.
На самом деле эта аналогия чуточку точнее, чем мне хотелось бы.
Это всего лишь дружеское предостережение. Сейчас мы отправимся в самое длительное путешествие в вашей жизни. Оно будет таким долгим, что даже экспоненциальная форма представления чисел начнет ошеломлять. Устраивайтесь поудобнее и расслабьтесь. Вам предстоит читать эту главу долго, очень долго.
Эпоха звезд началась с рождения первых звезд. Когда именно это случилось — неизвестно, но, по самым точным оценкам, примерно через 400 млн лет после рождения Вселенной. Теоретические модели показывают, что в то время температура и плотность газа, равномерно распределенного по Вселенной, снизились настолько, что он смог сжиматься под действием собственных сил тяготения.
Эту дату также подтверждают накопившиеся данные наблюдений. Хотя нам никогда не удавалось обнаружить именно те самые первые звезды — сейчас они были бы настолько далеко, что непосредственно увидеть их было бы практически невозможно, — они воздействовали на свое окружение, и вот это можно обнаружить. Те звезды должны были состоять только из водорода и гелия (и, повторюсь, чуточки лития) — это относительно простой состав по сравнению с современными звездами. Такой химический состав позволял ранним звездам быть гораздо массивнее в среднем, чем теперешние (благодаря более тяжелым элементам современные звезды горячее, поэтому они «включаются» при гораздо меньшей массе). Согласно некоторым моделям, масса тех звезд была гораздо выше, чем 100 масс Солнца. Они заливали пространство ультрафиолетовым светом, который ионизировал находящиеся вокруг них атомы водорода, срывая электроны.
Эти электроны поляризовали свет звезд: по сути, это означает, что все волны света, исходящего от звезд, были одинаково ориентированы, как люди в помещении, которые смотрят в одном направлении. Такой эффект поляризации можно обнаружить и сегодня, и в том, что касается времени появления первых звезд, наблюдения согласуются с теоретическими моделями.
Кроме того, в конце своей короткой жизни эти звезды должны были взорваться в виде сверхновых, разбрасывая вокруг первые тяжелые элементы Вселенной, из которых образуется следующее поколение звезд. Вероятно, при взрыве первых звезд возникали гамма-всплески, возможно, мы их еще обнаружим.
Мы по-прежнему живем в Эпоху звезд. Звезды — преобладающий элемент Вселенной; они генерируют большую часть энергии, которую мы регистрируем. Как мы видели в прошлой главе, через несколько сотен миллиардов лет в Млечном Пути закончатся запасы газа, из которого могли бы образовываться звезды, хотя некоторые галактики могут использовать свой газ более медленными темпами. Так или иначе, со временем газ закончится и во всей Вселенной практически никаких новых звезд рождаться не будет.
Мы знаем, что Солнце останется нормальной звездой еще несколько миллиардов лет, прежде чем превратится в красный гигант, зажарит Землю, потеряет свою внешнюю оболочку, а затем успокоится, превратившись в белый карлик (глава 7). Но продолжительность жизни звезды практически полностью зависит от ее массы. Звезда с массой гораздо больше массы Солнца съедает свои запасы топлива гораздо быстрее и может прожить всего от нескольких миллионов до миллиарда лет. Однако звезды с гораздо меньшей массой проживут дольше.
В настоящее время наименьшая возможная масса звезды составляет примерно 0,08 массы Солнца. При более низкой массе температура или давление в ядре будут недостаточно высокими и гелий не будет синтезироваться из водорода. Звезда такого типа — маленькая (1/10 диаметра Солнца), тусклая (1/1000 светимости Солнца), холодная (температура примерно 2760 °С) и красная. Неудивительно, что такие звезды называют красными карликами.
Представьте, что вы берете большую каменную глыбу и ударяете по ней кувалдой, разнося на куски. Среди этих кусков вы, возможно, увидите несколько крупных фрагментов, еще несколько меньшего размера и целую кучу мелких камешков и осколков. Похоже на естественное распределение звезд по размерам: когда газовое облако сжимается и из него образуются звезды, лишь несколько из них будут очень большими, некоторые будут меньшего размера, а многие еще меньше. Подавляющее большинство будет самых маленьких размеров; по оценкам, 75% всех звезд во Вселенной являются красными карликами.
Хотя их масса составляет лишь небольшую долю массы Солнца, красные карлики невероятно скупо расходуют свое топливо и могут жить гораздо, гораздо дольше. Карлики с очень малой массой вполне могут сиять еще в течение нескольких триллионов лет.
Это дольше, чем любой другой тип звезд во Вселенной. Если мы переведем стрелки космических часов вперед, то увидим рождение последних звезд через несколько миллиардов лет. Очень скоро после этого все массивные звезды исчезнут, так как они живут недолго. Коллапс ядра последней сверхновой во Вселенной может произойти всего через 100 млн лет после рождения последней массивной звезды. Это одна секунда по сравнению с тем, сколько времени уже прошло во Вселенной.
Вскоре после того, в определенный момент, где-то во Вселенной звезда с массой чуть меньше, чем требуется для взрыва, состарится и умрет, раздувшись до красного гиганта, сбросив внешние оболочки и угаснув в виде белого карлика. Это лишь одно из длинной-длинной череды подобных событий: в нашей Вселенной 100 млрд галактик, и в каждой в среднем примерно 100 млрд звезд.
С течением времени триллионы звезд все меньшей и меньшей массы потухнут и умрут. Звезды с самой низкой массой продержатся дольше всего, но в определенный момент все они пересекут финишную черту.
Если подождать достаточно долго — ну, скажем, триллион лет, — всех звезд, подобных Солнцу, уже давно не будет, останутся только карлики с самой малой массой. Вы можете подумать, что тогда галактики будут тусклыми и красными, освещаемые лишь крошечными звездами. Что интересно, но в тот момент отдаленного будущего галактики, вполне возможно, будут такими же яркими, как сегодня. В главе 7 мы видели, что чем старше, тем ярче становится Солнце. Это происходит со всеми звездами, даже с красными карликами. Расчеты, выполненные авторами «Пяти возрастов Вселенной», Адамсом и Лафлином совместно с коллегой Женевьевой Грейвс, показывают, что звезда с 1/10 массы Солнца проживет примерно 10 трлн лет. По мере старения она становится все ярче и горячее. Сложив весь свет от всех звезд в галактике и смоделировав ее старение, они обнаружили, что общее количество света, излучаемое карликами, увеличивается ориентировочно с такими же темпами, с какими тускнеет свет от умирающих массивных звезд. Другими словами, суммарное количество света, излучаемое галактикой, останется примерно постоянным в течение нескольких сотен миллиардов лет, потому что постоянно увеличивающаяся яркость карликов компенсирует потери излучения от постепенно умирающих массивных звезд.
Когда красные карлики разогреваются, они также меняют свой цвет. Более горячая звезда приобретает более голубой оттенок, это произойдет и с красными карликами. Возможно, в течение нескольких десятков миллиардов лет галактика будет сиять демоническим красным светом, после чего постепенно изменит оттенок на более насыщенный голубой.
Но, как говорится, хорошенького понемножку. Со временем умрут даже карликовые звезды. В отличие от Солнца, ядерный синтез в котором может происходить только в ядре, в самых маленьких красных карликах топливо циркулирует. Подобно тому, как горячий воздух поднимается, а холодный опускается, гелий, созданный в ядре, поднимается вверх и смешивается с веществом звезды. Ядра водорода, опускающиеся в ядро звезды, могут сливаться с образованием нового гелия, который снова смешивается с веществом звезды.
Со временем в звезде заканчивается водород — и в отличие от Солнца, в котором заканчивается доступный водород в ядре, водород в карлике заканчивается совсем. Его больше нет. Пропал. С концами. Все, что осталось в звезде, — это гелий, но его массы не хватает для того, чтобы запустился синтез углерода. Звезда остывает, гелий сжимается — и звезда превращается в вырожденный белый карлик из чистого гелия (подробней об этом причудливом квантовом состоянии см. в главе 7).
Через семь или восемь триллионов лет в Млечном Пути (ну, в Млекомеде, после того как мы столкнемся с галактикой Андромеды и, вероятно, также поглотим все мелкие галактики в Местной группе) последняя карликовая звезда превратится в белого карлика. В течение триллионов лет Галактика продолжит светиться красивым синим светом, но и это пройдет.
Интересно, но на этом последнем этапе Эпохи звезд некоторые звезды с еще более низкой массой будут по-прежнему сиять. Так как в звездах с большой массой создаются более тяжелые элементы, такие как железо и магний, звезды, образующиеся позднее, будут насыщены этими веществами. Более тяжелые элементы делают звезду горячее (они поглощают свет звезды, задерживая тепло внутри), поэтому звезды с более низкой массой — возможно, даже в таком легком весе, как 0,04 массы Солнца, — смогут запустить реакции синтеза в своем ядре. Но повторюсь, нам нужно учитывать продолжительность времени: даже если превращение таких звезд в белые карлики будет отсрочено на 15 трлн лет, этот момент все равно наступит. В определенное время все звезды во Вселенной исчезнут, превратятся в белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры.
Крошечные белые карлики со временем тускнеют (нейтронные звезды остывают даже еще быстрее), и в конце концов в Галактике совсем не остается звезд с активным синтезом элементов в ядре. В течение следующих нескольких триллионов лет эти звезды также гаснут. К тому времени, когда Вселенной будет 100 трлн лет от роду, галактики — и, следовательно, сама Вселенная — будут темными.
В далеком будущем Вселенная не только будет темнее, но будет казаться гораздо более пустой.
Стоя на морском берегу и глядя вдаль, вы можете видеть только на определенное расстояние. Поверхность Земли изгибается, скрывая более далекие объекты из виду. Горизонт — всего в нескольких километрах, и то, что находится на большем расстоянии, увидеть невозможно.
У Вселенной тоже есть горизонт. Так как ей 13,7 млрд лет, мы не можем видеть объекты, находящиеся от нас дальше, чем 13,7 млрд световых лет. Вселенная может быть больше, но свет, испускаемый любыми более удаленными объектами, не успел еще дойти до нас, поэтому мы их не видим.
В действительности все еще сложнее. Вселенная расширяется — ткань пространства буквально растягивается. Находящиеся дальше объекты, похоже, удаляются от нас на больших скоростях. Если посмотреть достаточно далеко вдаль, кажется, что галактики улетают от нас со скоростью света. Мы не можем обнаружить такие галактики: их свет приближается к нам с такой же скоростью, с какой расширяется пространство. Это как бег на беговой дорожке — тот свет не может никуда попасть, поэтому он никогда не дойдет до нас.
Но все еще хуже. В 1998 г. было обнаружено, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Вселенная не просто увеличивается, с каждым днем увеличивается объем, на который она увеличивается.
Для далекого будущего это очень мрачное развитие событий. Так как Вселенная ускоряется, галактики, которые сейчас находятся в пределах нашего горизонта (потому что они удаляются от нас со скоростью меньше скорости света), со временем уйдут за горизонт (потому что они будут ускоряться относительно нас до скорости, превышающей скорость света). Это означает, что со временем далекие галактики погаснут для нас, потому что расширяющаяся Вселенная сотрет их из нашего поля зрения. Постепенно, со временем, галактики, которые сейчас ближе к нам, ускользнут и космический горизонт сожмется вокруг нас как петля.
Однако слишком сильно она не затянется. Пространство расширяется, но этому расширению может противодействовать гравитация. Возможно, вы ожидаете, что, скажем, две звезды, обращающиеся одна вокруг другой, при расширении пространства отодвинутся друг от друга. Однако дело обстоит по-другому. Так как два объекта обладают силами тяготения и связаны друг с другом — то есть силы тяготения удерживают их вместе, — пространство между ними не расширяется. Это просто еще один причудливый результат относительности и поведения пространства-времени.
Это означает, что, несмотря на расширение Вселенной, и даже с ускорением, космический горизонт не будет сжиматься вечно. Галактики Местной группы — Млечный Путь, Андромеда и дюжина или две меньших галактик — связаны друг с другом гравитацией. Мы знаем, что через 10 млрд лет мы сольемся с Андромедой, а со временем также поглотим и все остающиеся малые галактики. Ряд расчетов показывает, что примерно через 100 млрд лет, все еще в Эпоху звезд, космический горизонт сожмется настолько, что останется только объем пространства, занимаемый Местной группой. К тому времени Местная группа будет единой гигантской эллиптической галактикой. С нашей точки обзора мы увидим, как более близкие группы галактик, такие как скопление Девы, уйдут за горизонт, но наша собственная всегда будет видна.
Со временем наше поле зрения станет крайне ограниченным: для нас вся Вселенная будет состоять только из нашей единственной массивной Галактики, а больше буквально ничего не будет. Любые новые биологические виды, появившиеся за это время, даже не будут догадываться, что когда-то, давным-давно, Вселенная, гораздо больших размеров, чем их собственная, кишела галактиками и звездами.
Какой будет их космология?
Горизонт сожмется гораздо раньше, чем погаснут все звезды в Галактике, сотни миллиардов лет по сравнению с десятками триллионов. Все равно это будет преддверием новых событий во Вселенной, в которой становится все темнее и темней.
Следует отметить, что ускорение космического расширения наверняка означает одно: Вселенная снова не сожмется. Прежде чем обнаружилось, что Вселенная расширяется с ускорением, постоянно шли споры о том, будет ли она расширяться вечно, или суммарные силы тяготения всей материи замедлят процесс, остановят его и со временем повернут вспять. Но открытие ускоренного расширения практически положило конец этим спорам. Вселенная будет расширяться вечно, все быстрее и быстрее, а наше поле зрения (несколько парадоксально) будет становиться все меньше и меньше, пока у нас не останется нашей собственной частной Вселенной всего несколько миллионов световых лет в поперечнике.
Что это означает для нас, для человечества? В хорошем приближении, это означает, что у нас примерно 100 трлн лет на то, чтобы навести порядок в делах. После этого света будет слишком мало и мы не сможем читать. Станет скучно.
Если исходить из того, что человечество в каком-то виде все еще будет существовать, когда Вселенная будет в тысячи раз старше, чем сейчас, имеются способы продлить период царствования звезд. Помогут физические столкновения — буквально шмякнуть звезды друг о друга, чтобы образовались новые. Но сколько этим можно заниматься? Если вы решили, что вам нужна звезда, похожая на Солнце, вы можете столкнуть несколько карликов и получить звезду, которая будет сиять еще несколько миллиардов лет. Но помните, что к тому моменту Вселенной уже будет несколько триллионов лет. По сравнению с этим, миллиард лет — чепуха. Когда Вселенной будет 100 трлн лет, у наших потомков не останется ни топлива, ни звезд, ни удачи.
Временные масштабы здесь ужасающие. Когда мы дойдем до этого возраста Вселенной, галактики уже проживут большую часть своей жизни, населенные только карликами. Представьте это так: в настоящее время наша Галактика прожила лишь крошечную долю от своей потенциальной продолжительности жизни. Прямо сейчас, пока вы читаете эту книгу, несмотря на то что Вселенной больше 13 млрд лет, у галактик впереди еще 99,9% жизни.
Мы считаем, что Вселенная относительно неизменна, но на деле, по сравнению с мрачным будущим, мы живем в очень необычную эпоху. К тому моменту, когда погаснет последний карлик, Галактика будет оглядываться на время, когда существовали звезды, подобные нашим, как вы оглядываетесь на время, когда вам был один месяц отроду.
И после всего этого мы еще только начинаем. Сейчас мы вступаем в царство, где даже 100 трлн лет — как один вздох времени.
Когда умирают последние нормальные звезды с ядерным синтезом внутри, единственными объектами во Вселенной, все еще способными генерировать энергию, будут белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры и выродившиеся объекты с малой массой, в принципе не способные синтезировать гелий из водорода, — коричневые карлики. Так как во Вселенной господствуют такие объекты, этот временной период называется Эпохой распада.
В видимом диапазоне спектра Вселенная в этот момент будет довольно темной, но не совершенно темной, потому что останется несколько скудных источников света.
Белые карлики потускнеют: при температуре примерно 5500 °С они начинают сиять таким же цветом, как и Солнце, с возрастом приобретая более красный оттенок. Когда они достигают температуры примерно 400 °С, они излучают главным образом в инфракрасном свете и становятся невидимыми.
Время от времени достаточно близко от белого карлика может проходить черная дыра, или нейтронная звезда, или коричневый карлик, разрывая его на части и поглощая остатки. Образуется аккреционный диск, который станет ярко светиться, но только пока черная дыра питается. По окончании трапезы источник света отключается (в будущем для любых существ, пытающихся остаться в живых, он может оказаться временным источником энергии, но это временное решение).
У коричневых карликов будет и свой звездный час. Благодаря внутреннему теплу, в течение непродолжительного времени после образования эти неудавшиеся звезды излучают видимый свет, но из-за отсутствия термоядерных реакций в ядре у них нет постоянного источника энергии. Со временем они остывают и тускло светятся в инфракрасном диапазоне.
Но все-таки они получают второй шанс. В современной Вселенной столкновения между звездами невероятно редки, потому что звезды ужасно малы по сравнению с расстояниями между ними. Однако с растяжением времени слово «редки» теряет свой смысл. То, что имело микроскопические шансы случиться за 13,7 млрд лет, практически наверняка произойдет в течение 100 трлн лет.
На самом деле, Эпоха распада продлится гораздо дольше, поэтому, с учетом тех временных масштабов, столкновения между звездами будут происходить часто. При слиянии двух коричневых карликов результирующая масса будет чуть выше предельной, необходимой для термоядерной реакции, поэтому может образоваться вполне нормальная звезда. Более того, если столкновение будет чуть-чуть смещенным, с двух объектов может быть сорвана материя, из которой вокруг них образуется диск. Совершенно не исключено, что из этого вещества могут сформироваться планеты. Насколько сложно было бы представить, что при таких обстоятельствах возникнет жизнь? Их представления о Вселенной были бы очень, очень далеки от наших. Их небеса были бы совершенно темны, за исключением единственного солнца, сияющего днем. Никаких звезд, нет галактик, нет молочной ленты газа, протянувшейся по небу. Какие мифы и легенды возникли бы на такой планете?
В любой отдельно взятый момент времени в Галактике, возможно, будет сиять около сотни таких странных звезд. Но, повторюсь, эти новые звезды будут сиять недолго, после чего их постигнет та же участь, что и Солнце все те жуткие триллионы лет назад.
Будут и другие кратковременные вспышки света. При столкновении между двумя белыми карликами может образоваться объект с такой большой массой, что он коллапсирует в нейтронную звезду или даже черную дыру. Может возникнуть сверхновая типа I, яркость которой для любых обитателей той далекой эпохи будет даже еще ослепительней, чем для нас: ее будет буквально не с чем сравнить.
Также возможно, что два белых карлика с малой массой могли бы столкнуться с образованием нетипичной «нормальной» звезды, очень похожей на такую, какая образуется при столкновении коричневых карликов; но, повторюсь, это объекты с коротким сроком жизни (какие-то несколько миллиардов лет!), и со временем они угаснут.
Если столкнутся две нейтронные звезды, они образуют черную дыру, и об этом слиянии возвестит всплеск гамма-излучения (см. главу 4). Но этот всплеск затухнет через несколько дней, а сама черная дыра будет темной, одной из миллионов других, обращающихся в темной Галактике.
И все станет еще темней. Время идет. Через триллионы, квадрильоны, квинтиллионы лет даже коричневые карлики исчезнут. Они сольются с образованием нормальных звезд, которые в конце концов умрут или будут выброшены из Галактики. Более того, спустя такое длительное время ей будет сложно сохранить целостность. В очень отдаленном будущем сама Галактика испарится.
Столкновения звезд — движущая сила следующего этапа эволюции Галактики. Движущийся объект обладает энергией, и эта энергия может передаваться другому объекту (что позволяет нам, например, играть в бильярд, бросать мяч, держать книгу и т.д.). Когда две звезды проходят близко друг к другу, они могут обмениваться энергией через гравитационное взаимодействие. В общем случае происходящее с двумя звездами, проходящими мимо друг друга, зависит от их массы (а также от размеров, формы и направления движения по орбите, но сейчас мы обобщаем). Объект с большей массой отдает часть своей орбитальной энергии объекту с меньшей массой. Орбиты с более низкой энергией меньше, поэтому звезда с большей массой сместится к центру Галактики, а звезда с меньшей массой — к периферии. После многих таких встреч звезды с меньшей массой «испарятся»; их выбросит из Галактики, и они отправятся бродить в глубинах межгалактического пространства.
Звезды с большей массой смещаются к центру Галактики, где их ожидает неприятный хозяин: сверхмассивная черная дыра (см. главу 8). Со временем черная дыра поглотит все массивные звезды в Галактике.
Этот процесс наблюдался в гораздо меньших масштабах: в шаровых звездных скоплениях — связанных гравитацией групп примерно из миллиона звезд — звезды находятся так близко друг к другу, что такие столкновения там происходят чаще. Во всех шаровых звездных скоплениях, даже всего через несколько миллиардов лет, более массивные звезды, как правило, будут находиться ближе к центру, а более легкие звезды — снаружи.
Временные рамки испарения галактик — примерно от 1019 до 1020 лет (от 10 квинтиллионов до 100 квинтиллионов лет), соответственно в настоящее время мы не можем наблюдать этот процесс в них.
Но Вселенная еще молода. Терпение.
Между прочим, за это время шансы на то, что к Солнцу крайне близко подойдет какая-нибудь звезда, увеличиваются и приближаются к 100%. Существует вероятность того, что уже к началу Эпохи распада (T + 1015 лет) какая-нибудь другая звезда пройдет достаточно близко от Солнца, отчего Землю выбьет с орбиты и выбросит из Солнечной системы (разумеется, любая звезда, проходящая настолько близко, вероятно, выбьет и внешние планеты, — а к тому времени Солнце — красный гигант уже поглотит Меркурий и Венеру, поэтому Земля будет самой ближней планетой). При наличии достаточного времени улетят даже планеты, находящиеся еще ближе к своим звездам; уже к середине той эпохи практически наверняка все планеты, обращающиеся вокруг любой звезды, повсюду, будут выброшены из своей системы. К тому времени, когда сама Галактика испарится за счет звездных столкновений, в межгалактическом пространстве, пожалуй, будет скитаться в десять раз больше планет, чем звезд, планет, промерзших насквозь и совершенно необитаемых.
Да и они все равно исчезнут.
Через 1020 лет после образования Вселенной галактики будут темными и в основном рассеются. Черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики и коричневые карлики будут бродить по Вселенной (в той ее части, которую мы все еще сможем видеть из-за уменьшившегося космического горизонта), а освещенность упадет до крошечной толики той, что была когда-то.
Но даже это бесславие — еще не совсем конец.
Оказывается, материя, возможно, не вечна. Нам уже известно, что многие типы атомных ядер и субатомные частицы распадаются. Уран радиоактивен: со временем ядро урана самопроизвольно распадается на более легкие элементы (этот процесс называется делением атомного ядра) и излучает чуточку энергии. Отдельно взятое ядро делится через случайные промежутки времени, но, если взять целую кучу ядер и регистрировать их распады, начинают проявляться статистические закономерности. Например, можно измерить время, за которое распадется половина взятого образца, и эта цифра будет относительно постоянной. В случае одной разновидности урана, для распада половины ядер с образованием свинца требуется 4,5 млрд лет. Эта продолжительность времени, соответственно, называется периодом полураспада урана. Если начать с килограмма урана, через 4,5 млрд лет у вас будет полкило урана и полкило свинца. Подождите еще 4,5 млрд лет, и половина оставшегося урана превратится в свинец (и у вас останется четверть килограмма урана). Еще через 4,5 млрд лет у вас будет 1/8 килограмма. И так далее. Со временем он весь превратится в свинец, но вам придется запастись терпением.
Отдельные частицы, такие как нейтроны, также распадаются, в этом случае с периодом полураспада, равным примерно 11 минутам, однако такое происходит, только если они в одиночестве скитаются в пространстве; в ядре нейтроны стабильны (видимо, они любят компанию). Но при распаде они создают ливень из малых частиц и энергии.
До недавнего времени считалось, что протоны будут стабильными вечно. Тем не менее во временных масштабах смерти Вселенной «вечно» принимает другое значение.
Теоретически считается, что протоны крайне редко распадаются на частицы меньшей массы, в среднем через 1033–1045 лет (точное число неизвестно, поэтому для рассуждений возьмем средний период в 1037 лет). В настоящее время ни одного достоверного распада протона не наблюдалось, но ученые вполне уверены, что это произойдет. Со временем.
Время — это все, что у нас есть. В отдельно взятом образце протонов — скажем, в белом карлике — половина протонов распадется через 1037 лет. Еще через 1037 лет распадется еще половина и так далее. Через несколько раз по 1037 лет, или около того, все они исчезнут.
Как и при любой другой реакции распада субатомных частиц, при распаде протона создаются частицы меньшего размера и энергия. К тому времени практически все протоны будут существовать в составе других объектов — белых карликов, коричневых карликов, нейтронных звезд. Конечный результат их распада — выделение энергии, немного нагревающей объект.
Спустя продолжительное время после того, как погас последний свет термоядерных реакций, после того, как все материальные объекты в космосе остыли практически до абсолютного нуля, мы обнаруживаем еще один источник энергии: нагрев, вызванный распадом протонов.
Конечно, он слабый. Очень, очень слабый: в отдельно взятом белом карлике энергия, выделяемая при распаде протонов, составляет всего около 400 Вт. Моей микроволновке нужно больше мощности! Более того, вся Галактика, даже если она будет заполнена такими объектами, обладающими энергией распада, будет светиться с мощностью меньшей, чем одна триллионная мощности, с которой Солнце светит сегодня. Хуже того, свет, который она излучает, будет невероятно низкоэнергетичным, глубоко в радиодиапазоне электромагнитного спектра.
Если бы нам пришлось совершить прыжок в неизвестность (и это не прыжок, это трансгалактический гиперпространственный скачок) и предположить, что в разгар Эпохи распада еще существует какая-то форма жизни, тогда им лучше было бы выяснить, как экономить энергию, потому что энергию им будет брать практически неоткуда. Они даже не смогут приготовить тарелку попкорна.
И время у них закончится. Каждый раз, когда внутри белого карлика или коричневого карлика распадается протон, звезда теряет это количество массы. Теряет немного — протоны очень маленькие, — но со временем, в будущем, через 1037 лет, эта масса суммируется. Белые карлики будут терять массу и со временем полностью испарятся. Теряя массу, они будут проходить через несколько очень необычных стадий. Когда их масса будет примерно равна массе Юпитера, например, их плотность будет равна плотности воды (когда белые карлики образуются, они в миллион раз плотнее), и они будут практически полностью состоять из водорода; к тому моменту все более сложные элементы уже распадутся по мере распада протонов. Температура объекта будет настолько низкой, что он будет замороженным, шар из водородного льда 160 000 км в диаметре.
Со временем и это пройдет по мере того, как внутри карлика исчезают протоны.
Даже нейтронные звезды пройдут такой процесс испарения. Так как они содержат больше протонов, для исчезновения им потребуется больше времени, чем для белых карликов. Кроме того, они будут теплее — станут светиться при температуре −270 °С. Сегодня это считается крайне низкой температурой, но в 1038 году они будут самыми горячими из существующих объектов.
И исчезнут.
Со временем они также потеряют массу в процессе распада протонов. В определенный момент их силы тяготения уменьшатся настолько, что вырождение нейтронов уже не будет поддерживаться, и звезда внезапно раздуется во что-то наподобие белого карлика. Однако ей это не поможет — мы знаем, что произойдет дальше.
К концу Эпохи распада, невероятные 1040 лет в будущем, все галактики будут не просто мертвы, но и их трупы осквернены. Во всей Вселенной не останется ни единого протона. Больше не будет никаких звезд. Ни белых карликов, ни нейтронных звезд... даже планеты исчезнут, испарившись задолго до того, как испарятся белые карлики.
Все, что останется, — крайне низкоэнергетические протоны, несколько субатомных частиц, которые не распадаются (электроны, позитроны, нейтрино)... и черные дыры.
Черные дыры переживут Эпоху распада по одной простой причине: они состоят не из материи.
В главе 5 подробно рассказывается о черных дырах, но, в принципе, черная дыра — это объект настолько плотный, что для него скорость освобождения больше или равна скорости света. Как только черная дыра образовалась, из нее уже не исходит никакой информации, и, по сути, она отрезана от Вселенной. Любое вещество, из которого она когда-то состояла, или любое вещество, проваливающееся в нее, исчезает. Так как протонов нет, нечему распадаться. Соответственно, черные дыры продолжают существовать.
К концу Эпохи распада все, что остается, — это черные дыры и невероятно разреженный суп из излучения и субатомных частиц. После 1040 лет мы вступаем в эпоху черных дыр.
Существуют черные дыры как с массой всего в три раза больше массы Солнца, так и огромные монстры — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, которые в нашу современную эпоху имеют массу от миллиона до миллиарда солнечных масс.
Во время испарения галактик в Эпоху распада происходит удивительная вещь. На окраинах галактики черные дыры будут самыми массивными из всех еще существующих объектов. Сегодня обычные звезды могут иметь массу, значительно превосходящую три солнечных массы — самые тяжелые имеют массу примерно 130 солнечных масс или чуточку больше, — но к тому времени они уже давно взорвутся. В Эпоху распада единственными остающимися объектами являются нейтронные звезды (максимальная масса: 2,8 солнечных масс), белые карлики (максимальная масса: 1,4 солнечных масс) и гораздо менее массивные коричневые карлики. Так как самые массивные объекты обычно смещаются в центр, а более легкие улетают в процессе испарения, после завершения этого процесса Галактика будет состоять: из 1) единственной центральной сверхмассивной черной дыры, поглотившей многие из меньших черных дыр звездной массы, которые в нее провалились; 2) большого количества (возможно, миллионов) черных дыр звездной массы, которые сместились к центру Галактики, но (еще) не были поглощены; и 3) горстки объектов с меньшей массой на больших расстояниях, многие из которых физически полностью покинули Галактику.
В процессе испарения Галактики центральная черная дыра, возможно, поглотит от 1% до 10% всей массы Галактики. Соответственно, к концу Эпохи распада масса черной дыры в ядре Галактики, которая начиналась с сотни миллиардов звезд, составит 1–2 млрд солнечных масс.
Однако не все галактики живут в одиночестве. Как указывалось, космический горизонт будет сжиматься, но только до того предела, где гравитация начинает компенсировать сжатие. Некоторые галактики существуют группами, такими как Местная группа, но гораздо больших размеров. Скопление Девы — это ближайшее звездное скопление, и в нем, возможно, 2000 гравитационно связанных галактик. В процессе, подобном испарению отдельной галактики, со временем скопление Девы также испарится. Когда это произойдет, скопление будет состоять из единственной галактики с массой примерно в 10 трлн раз больше массы Солнца. В конце концов та моногалактика Девы испарится и черная дыра в ее ядре будет иметь массу в 100 млрд масс Солнца, или даже больше.
Однако от того, что наш горизонт будет так близко, мы не сможем наблюдать ту черную дыру. Нам останется черная дыра с массой в 1 млрд солнечных масс в центре нашей собственной Галактики. И вы бы подумали, что это все. Черная дыра остается черной дырой.
Ну... практически всегда.
Как мы обсуждали в главе 5, черные дыры также могут испаряться. Этот процесс называется излучением Хокинга, по имени физика Стивена Хокинга, который впервые сформулировал постулат. Хотя это по-прежнему только теория — у нас нет под рукой черных дыр, на которых мы могли бы ее проверить, — но физика этого процесса хорошо изучена. Основной принцип заключается в том, что вследствие причудливых квантовых эффектов черные дыры могут излучать свою массу в виде субатомных частиц. В целом, это ужасно медленный процесс, и чем более массивна черная дыра, тем медленнее он протекает.
Повторюсь, нам нужно быть осторожными, когда мы говорим «медленный». Когда у нас есть 10 000 трлн лет, «медленное» может все равно произойти. При наличии достаточного времени черная дыра полностью испарится за счет излучения Хокинга.
Самая маленькая черная дыра звездной массы может иметь примерно три массы Солнца. Ей требуется много времени на то, чтобы, испуская частицы одну за другой, потихоньку израсходовать шесть октиллионов тонн вещества: примерно 1066 лет. Сегодня для нас это кажется вечностью. Но даже это — всего лишь мгновение ока по сравнению с тем, сколько времени требуется на испарение сверхмассивных черных дыр. Черная дыра в 1 млрд масс Солнца, которая когда-то была галактикой Млечный Путь (и Андромедой, и несколькими другими из Местной группы), полностью испарится за колоссальные 1092 лет.
И это все. Никакие аналогии больше не приходят в голову. Сдаюсь. Я надеялся придумать что-то вроде — если бы продолжительность жизни Вселенной до сегодняшнего дня была бы одним взмахом крыла колибри, тогда 1092 лет были бы наподобие, ну, наподобие чего-то, на что требуется очень много времени. Но даже сравнение единственного взмаха крыла колибри с теперешним возрастом Вселенной совершенно не в состоянии дать представление о соотношении сегодняшнего возраста Вселенной и 1092 лет. Это просто слишком большой временной интервал, он обращает наше ощущение реальности в пыль. Самая близкая аналогия, которую я смог придумать, — это сравнить массу протона с массой всей Вселенной, но эта аналогия никуда не годится. Аналогии должны облегчать понимание, но кто сможет представить массу протона и массу всего космоса, а потом осознать их пропорцию?
Хуже того, эта аналогия на самом деле не дотягивает до реальности. Отношение 1092 лет к настоящему возрасту Вселенной составляет примерно 1082, а отношение массы Вселенной к массе протона — 1079. Аналогия не дотягивает в 1000 раз.
Поэтому я сдаюсь. Теперь вы сами придумывайте аналогии.
Но, возможно, с нами все равно покончено. Самый массивный объект во Вселенной испарился в ходе самого медленного процесса во Вселенной. После его окончания мало что остается. Вся наблюдаемая Вселенная будет всего 1 или 2 млн световых лет в поперечнике и состоять из бессчетных электронов, позитронов, нейтрино, горстки экзотических частиц и крайне низкоэнергетических протонов. Это будет невероятно глубокий вакуум, гораздо глубже, чем что-либо существующее сегодня.
И это все. Все, что осталось. Как только исчезают черные дыры, с ними уходит и все знакомое нам в нашей Вселенной.
Вселенная будет мертва.
Теперь перед нами простираются бесконечные пучины времени. В этот момент наша математика перестает работать. Вселенная представляет собой такой разреженный суп, что для сближения любых двух частиц понадобятся бессчетные годы. А если они сблизятся, что произойдет? Если обе эти частицы — электроны, они оттолкнутся друг от друга и разлетятся в разных направлениях. Если одна — электрон, а другая — позитрон, они притянут друг друга, столкнутся и — хоп! Они превратятся в пару разлетающихся гамма-лучей.
Но куда они полетят?
От Вселенной, какой мы ее знаем сейчас, и следа не останется. Нет звезд, планет, людей. Даже материи. Все они уже давно распались, разрушились, превратились в разреженную, как эфир, суспензию.
10100 лет, 101000, 101 000 000. Все по-прежнему. Ничто никогда не происходит и не произойдет. Вселенная темна, хаотична, безмолвна. И останется такой вечно.
Ну вот, опять это слово. Вечно.
Как мы уже много раз убеждались в этой главе, ничто не вечно. Может быть, даже смерть Вселенной.
Существуют слабые надежды относительно окончательной судьбы Вселенной. Большинство включают полное уничтожение Вселенной, какой мы ее знаем, и возникновение чего-то совершенно нового и не похожего на прошлую Вселенную.
Возможно, вы посчитаете это недостатком.
Но альтернатива — это скучная Вселенная, где никогда ничего не происходит. Поэтому давайте посмотрим, что тут у нас есть.
Большой взрыв был единичным событием. Каким-то образом в одном том событии были созданы вся материя, энергия, пространство и время, образуя Вселенную, какой мы ее знаем.
Но откуда пришло то событие?
Как обсуждалось ранее, есть теории, согласно которым имеется Метавселенная, некое другое место, которое существует вне наших рамок пространства и времени. В нем возникло небольшое квантовое вспучивание, и из него образовалась наша собственная Вселенная. Если это действительно так, тогда в этом контексте смерть нашей Вселенной — не такое уж большое дело. Та другая Вселенная может по-прежнему существовать, и возможно, что от нее отпочковались и бесчисленные другие вселенные. Не исключено, что в них действуют совершенно другие законы физики (может быть, в одной из них скорость света равна нескольким километрам в час, а не 300 000 км/с, а в другой масса электрона больше массы протона, а не наоборот, как у нас). Также возможно, что наша собственная Вселенная постоянно это делает — даже сейчас, в других «местах», за пределами того, что мы видим и можем исследовать, появляются и начинают существовать крошечные детеныши-вселенные. Тем не менее, согласно всем нашим представлениям о физике, в реальности мы никогда не узнаем об этих других вселенных, так что, по большому счету, они для нас не существуют.
Вполне вероятно, что через, скажем, квинтиллион лет или около того наше понимание физики может измениться. Я вполне допускаю такое! Однако на данный момент мы мало что можем сказать об этом.
Но возможно, мы исходим из неверной предпосылки. Может быть, нам нужно спросить: на самом ли деле Большой взрыв явился первопричиной? Или было какое-то другое событие, которое запустило космос?
Существует другая идея, пока не очень проработанная, теория экпиротической вселенной (что на греческом языке означает «воспламеняющаяся»), согласно которой Вселенная уже невероятно старая. Сначала это была, по сути, гигантская пустота, где ничего интересного не происходило (очень похоже на ситуацию, на которой мы остановились, через 10100 лет). В соответствии с этой теорией существуют другие вселенные с характеристиками, похожими на наши сегодняшние, но эти другие вселенные находятся вне нашего поля зрения. Они существуют в 11 измерениях, а не в четырех, знакомых нам (три пространственных измерения и одно временное), и плавают вокруг в этом экстрамерном пространстве. Называемые бранами, от слова мембраны, все они являются замкнутыми вселенными, во многом подобными нашей, и обыкновенно занимаются своими собственными делами.
Но иногда они сталкиваются.
Вы можете представить эти вселенные в виде плавающих параллельных плоскостей. Когда они налетают друг на друга, их содержимое очень энергично встряхивается. Согласно теории, от этого упорядоченность вселенных чрезвычайно нарушается, энергия и материя жутко разогреваются, и запускается расширение самого пространства.
Знакомое описание?
Возможно, это немного похоже на выдумку, однако все это часть очень сложных, но научных математических расчетов и физических теорий. Никто понятия не имеет, являются ли эти теории приемлемыми альтернативами модели Большого взрыва, или во многом это просто фантазии. Но эти идеи внутренне непротиворечивы и очень серьезно изучаются.
Если они разовьются, тогда для Вселенной, или по крайней мере для некой Метавселенной, еще есть надежда: это означает, что существуют и другие вселенные и они могут быть обитаемы. Мы в них никогда не попадем, поэтому нам не повезло, но, может быть, другие биологические виды в тех вселенных смогут выжить.
А для нас также есть некоторая надежда. Что случилось однажды, может случиться снова, особенно если подождать достаточно долго.
Через 10100 или 101000 лет, сколько бы ни понадобилось, еще одна брана может столкнуться с нашей. При этом возникнет искра, от которой произойдет новый Большой взрыв, и наша Вселенная будет запущена еще раз. Когда такое случится, практически все, что происходило во Вселенной до того момента, будет уничтожено — пойдет на разжигание, если хотите, огня новой Вселенной. Повторюсь, для нас это плохо, но это означает цикличность реальности и шанс, что жизнь возникнет снова.
Опять же, слабое утешение. Но это возможность.
Не исключено, что в том далеком будущем нас ожидает и другая судьба, и мы даже не представляем что, после этого будет существовать.
Объекты обладают так называемым энергетическим состоянием. Это немного похоже на лестницу. На нижней ступеньке вы находитесь в самом низком энергетическом состоянии, а на верхней — в самом высоком. Между ними также есть энергетические состояния. Чтобы подняться на более высокие энергетические состояния, нужна (мышечная) энергия, а когда вы спускаетесь, вы эту энергию отдаете. В самом низу вы оказываетесь на минимальном уровне и останавливаетесь.
Так обстоят дела в атомах: электроны, мчащиеся вокруг атомного ядра, имеют определенные, доступные для них энергетические состояния, между которыми ничего нет (также как и вы не можете встать на четвертую с половиной ступеньку: ее не существует, поэтому вам приходится быть либо на четвертой, либо на пятой ступеньке). Это одна из самых базовых идей квантовой механики.
Возможно, Вселенная ведет себя точно так же. Мы представляем вакуум в пространстве как, ну, вакуум. Пустота. Лишенная материи и энергии, и следовательно, находящаяся в самом низком энергетическом состоянии.
Но, возможно, это не так: мы знаем, что в крайне малых масштабах пространство пузырится и кишит энергией (по сути, это основа излучения Хокинга). Итак, что, если мы находимся не на самом низком энергетическом уровне, не в самом низком энергетическом состоянии? Тогда то, что мы ощущаем сейчас, было бы «состоянием ложного вакуума», и мы могли бы сделать последний шаг вниз, спустившись в более низкое состояние.
Начальную точку этого движения вниз сложно спрогнозировать. Это может быть квантовый эффект, снова что-то наподобие излучения Хокинга: где-то, в каком-то месте во Вселенной крошечный фрагмент Вселенной внезапно переходит в более низкое состояние. Согласно этой теории, это единственное событие становится триггером, принуждая соседние области также перейти в более низкое состояние (представьте, что вы стоите на предпоследней ступеньке снизу, а с вами еще десять человек; вы спрыгиваете вниз и утаскиваете всех с собой). Запускается каскад, при котором все больше и больше фрагментов Вселенной переходит в более низкое состояние.
Этот туннельный эффект, как он называется, будет распространяться во все стороны в виде сферы со скоростью света или очень близкой к ней. Это немного похоже на рост кристаллов сахара в сверхнасыщенном растворе: как только вы запускаете его в каком-нибудь месте, все молекулы сахара прикрепляются там и из них вырастает леденец.
В этом случае, однако, леденец — это коллапс до истинного вакуума, а молекулы сахара — сама ткань пространства. Причиненный ущерб — в прямом смысле тотальный.
Внутри этого расширяющегося пузыря вакуумного коллапса законы Вселенной изменяются. Сами пространство и время заново переплетаются, становясь чем-то совершенно новым, о природе которого мы не в состоянии даже пытаться догадываться. Все, захваченное этой волной, будет полностью уничтожено.
И нет ничего, в прямом смысле, что могло бы остановить ее. Вся Вселенная сидит на втором снизу энергетическом уровне, поэтому, стоит расширяющемуся пузырю коснуться чего-то, все схлопывается. Каждая звезда, каждая планета, каждая черная дыра, каждый человек.
Если бы такое произошло сегодня, последствия были бы очень печальными. По всей вероятности, этого не произойдет, поскольку шансы на это крайне малы. Но если бы это событие ожидалось, скажем, через 10200 лет, было бы это настолько плохо? Поспорю, что было бы хорошо. К тому времени Вселенная будет мертвой, неподвижной, ничего в ней не будет напоминать обо всех тех годах кипучей жизни. Коллапс ложного вакуума в истинный вакуум, вероятно, вновь придал бы Вселенной энергии, дав ей второй шанс на жизнь.
Поэтому есть некоторая надежда. Вы, я, и даже вся Вселенная, какой мы ее знаем, не увидим этого и тем более не переживем.
Но впоследствии будет создана новая Вселенная, сверкающая, чистая и готовая к новому старту. В этом случае — а также в случае экпиротической вселенной, а может быть, и других процессов, о которых мы еще даже представления не имеем, — есть шанс, что вместо мрачного и тусклого будущего, целую вечность незаполненного ничем, произойдет возрождение Вселенной и возрождение возможностей.
А если это произойдет однажды, это может произойти снова еще через 10200 лет или 101000. И снова, и снова. Бесконечно.
Вместо смерти и разрухи, разрушений и хаоса Вселенная будет циклически очищаться, перезагружаться и снова приводить все в движение.
Возможно, всякий раз законы будут другими, а характеристики того будущего бесконечного парада вселенных — серьезно отличаться от тех, что нам известны сегодня. И, несмотря на наше предвзятое мнение, во Вселенной, похоже, нет набора правил о том, как все должно быть устроено, чтобы появились сложные химические реакции и соединения для возникновения жизни.
Нам наверняка неизвестно, существуют ли сегодня инопланетные цивилизации в нашей собственной Вселенной, однако шансы свидетельствуют в их пользу: в Галактике имеется 200 млрд звезд, а во Вселенной сотни миллиардов галактик.
Поэтому мне интересно: могли бы мы теперь еще умножить те шансы на количество потенциальных вселенных, которые еще возникнут?
Если это так, тогда Вселенная предоставляет нам практически бесконечное количество новых попыток, что я нахожу очень воодушевляющим. Может показаться, что Вселенная тратит все свое время, пытаясь убить нас, но в итоге — в самом конечном итоге — может быть, еще появится «жизнь с небес».
Войти с помощью соц. сетей: