Прошлое и будущее Вселенной

Страница 4

Будущее Вселенной

Современная наука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной, останавливается на двух вариантах – открытой и замкнутой Вселенной. Если предположить, что Вселенная замкнута, в этом случае в течение 40-50 миллиардов лет ничего существенного не произойдет. Галактики будут все дальше разбегаться друг от друга, пока в какой-то момент самые дальние из них не остановятся и Вселенная не начнет сжиматься. На смену красному смещению спе­ктральных линий придет синее. К моменту максимального расширения большинство звезд в галактиках погаснет, и останутся в основном небольшие звезды, бе­лые карлики и нейтронные звезды, а также черные дыры, окруженные роем частиц - в большинстве сво­ем фотонов и нейтронов. Наконец, через примерно 100 миллиардов лет начнут сливаться воедино галак­тические скопления; отдельные объекты сначала бу­дут сталкиваться очень редко, но со временем Вселен­ная превратится в однородное «море» скоплений. Затем начнут сливаться отдельные галактики, и, в кон­це концов, Вселенная будет представлять собой одно­родное распределение звезд и других подобных объ­ектов.

В течение всего коллапса в результате аккреции и соударений станут образовываться, и расти черные дыры. Будет повышаться температура фонового излу­чения; в конце концов, она почти достигнет температу­ры поверхности Солнца и начнется процесс испаре­ния звезд. Перемещаясь на фоне ослепительно яркого неба, они подобно кометам будут оставлять за собой состоящий из паров след. Но вскоре все заполнит рас­сеянный туман и свет звезд померкнет. Вселенная по­теряет прозрачность, как сразу же после Большого взрыва. (В гл. 6 мы видели, что/ранняя Вселенная была непрозрачной, пока ее температура не упала примерно до 3000 К; тогда свет стал распространять­ся без помех.)

По мере сжатия Вселенная, естественно, будет проходить те же стадии, что и при создании Вселенной, но в обратном порядке. Температура будет рас­ти, и сокращающиеся интервалы времени начнут иг­рать все большую роль. Наконец галактики тоже ис­парятся и превратятся в первичный «суп» из ядер, а затем распадутся и ядра. На этом этапе Вселенная станет крохотной и состоящей толь­ко из излучения кварков и черных дыр. В последнюю долю секунды коллапс дойдет почти до сингулярно­сти. Что будет дальше - неизвестно, поскольку нет теории, которая годилась бы для описания сверхбольших плотностей, возникающих до появления сингулярности, можно лишь строить предположения.

В теории замкнутой Вселенной появилась так называемая идея «отскока» - внезапного прекращения сжатия, нового Большого Взрыва и нового расширения. Одной из причин первоначального введения идеи отскока была возможность обойти неприятную с точки зрения многих астрономов проблему возникновения Вселен­ной. Если отскок произошел один раз, то он мог слу­чаться неоднократно, может быть, бесчисленное коли­чество раз, поэтому не нужно и беспокоиться о начале времен.

К сожалению, при подробной проработке такой идеи оказалось, что, и отскок не решает проблемы. В интервалах между отскоками звезды излучают зна­чительное количество энергии, которая затем кон­центрируется при достижении состояния, близкого к сингулярности. Эта энергия должна постепенно на­капливаться, из-за чего промежуток времени меж­ду последовательными отскоками будет возрастать. Значит, в прошлом эти промежутки были короче, а когда-то, в пределе, промежутка не было вовсе, т. е. мы приходим к тому, чего старались избежать, - про­блеме начала Вселенной. Согласно расчетам, от нача­ла нас должно отделять не более 100 циклов расшире­ний и сжатий.

Многие предпринимали попытки обойти эту про­блему. Томми Голд, например, разработал теорию, со­гласно которой в момент наибольшего расширения время начинает течь вспять. Излучение устремится обратно к звездам и Вселенная «омолодится». В та­ком случае она будет равномерно осциллировать меж­ду коллапсом и максимальным расширением.

Весьма интересную, но очень спорную теорию пред­ложил Джон Уилер. Воспользовавшись идеей Хо-кинга, согласно которой фундаментальные константы «теряют» свои числовые значения при достаточно вы­соких плотностях, он показал, что цикл осцилляции не обязательно должен удлиняться. Из-за принципа неопределенности значения констант утрачиваются, когда Вселенная сжимается до почти бесконечной плотности. После возможного отскока и нового рас­ширения эти константы могут получить совершенно иные значения. Продолжительность циклов в таких обстоятельствах также будет меняться, но случайным образом; одни циклы станут очень длинными, а дру­гие короткими.10

Согласно противоположной теории, открытая Вселенная будет расширяться вечно. Первые события будут, конечно, аналогичны тем, которые происходят в замкнутой Вселенной. Звезды постепенно постареют, превратившись с течением времени в красных гигантов, либо взорвутся, либо медленно сколлапсируют и умрут. Некоторые из них, прежде чем погаснуть, столкнутся с другими звезда­ми. Такие столкновения очень редки, и с момента об­разования нашей Галактики (по крайней мере, в ее внешних областях, где мы обитаем) их было совсем немного. Однако за триллионы и триллионы триллио­нов лет таких столкновений произойдет множество. Часть из них лишь сбросит в пространство планеты, а в результате других звезды окажутся на совершенно иных орбитах, некоторые даже вне пределов нашей Галактики. Если подождать достаточно долго, то нам покажется, что внешние области галактик испаряются.

Не выброшенные из галактик звезды в результате столкновений, скорее всего, будут притягиваться к центру, который, в конце концов, превратится в черную гигантскую дыру. Примерно через 10(18) лет боль­шинство галактик будет состоять из массивных черных дыр, окруженных роем белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр, планет и различных частиц.

Дальнейшие события вытекают из современной еди­ной теории поля, называемой теорией великого объе­динения. Из этой теории сле­дует, что протон распадается примерно за 10(31) лет. Сейчас ведется несколько экспериментов по обнару­жению такого распада, а значит, и по проверке теории, Согласно ей, протоны должны распадаться на элек­троны, позитроны, нейтрино и фотоны. Отсюда следу­ет, что, в конце концов, все, что состоит во Вселенной из протонов и нейтронов (а их не содержат только черные дыры), распадется на эти частицы. Вселенная превратится в смесь из них и черных дыр, и будет на­ходиться в таком состоянии очень, очень долго. Когда-нибудь испарятся маленькие черные дыры, а вот с большими возникнут трудности. Фоновое излучение к тому времени будет очень холодным, но все же его температура останется чуть выше, чем у черных дыр. Однако по мере расширения Вселенной ситуация из­менится — температура излучения станет ниже, чем на поверхности черных дыр, и те начнут испаряться, медленно уменьшаясь в размерах; на это потребуется примерно 10(100) лет. Затем Вселенную заполнят электроны и позитроны, которые, вращаясь, друг во­круг друга, образуют огромные «атомы». Но посте­пенно позитроны и электроны, двигаясь по спирали, столкнутся и аннигилируют, в результате чего оста­нутся только фотоны. Во Вселенной не будет ничего, кроме излучения.

Мы рассмотрели судьбу как открытой, так и за­крытой Вселенной. Что ее ждет, пока неизвестно. Если даже Вселенная когда-нибудь сколлапсирует, неизве­стно, произойдет ли потом «отскок».

Одна из трудностей, на которую наталкивается традиционная теория Большого взрыва, - необходи­мость объяснить, откуда берется колоссальное коли­чество энергии, требующееся для рождения частиц. Не так давно внимание ученых привлекла видоизмененная теория Большого взрыва, которая предлагает I ответ на этот вопрос. Она носит название теории раздувания, и была предложена в 1980 году сотрудником Массачусетского технологического института Аланом Гутом. Основное отличие теории раздувания от тра­диционной теории Большого взрыва заключается в описании периода с 10(-35) до 10(-32) с. По теории Гута примерно через 10(-35) с Вселенная переходит в состояние «псевдовакуума», при котором ее энергия исключительно велика. Из-за этого происходит чрез­вычайно быстрое расширение, гораздо более быстрое, чем по теории Большого взрыва (оно называется раз­дуванием). Через 10(-35) с после образования Все­ленная не содержала ничего кроме черных мини-дыр и «обрывков» пространства, поэтому при резком раз­дувании образовалась не одна вселенная, а множест­во, причем некоторые, возможно, были вложены друг в друга. Каждый из участков пены превратился в от­дельную вселенную, и мы живем в одной из них. От­сюда следует, что может существовать много других вселенных, недоступных для нашего наблюдения.