Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Зайдем в этом мысленном эксперименте еще дальше, приблизительно оценив вероятность существования в атмосферах белых карликов каких-либо форм жизни. Следуя примеру Фримена Дайсона, предположим, что жизнь подчиняется некой разновидности закона соответствия масштабов, что, в свою очередь, означает, что субъективное время, которое ощущает живое существо, зависит от температуры, при которой оно функционирует. В случае более низких температур жизнь течет медленнее, поэтому на ощущение того же числа мгновений сознания у такого существа будет уходить больше времени.

Что касается нашей гипотетической биоты, развивающейся вблизи поверхности белого карлика, ее окружающая температура должна быть около 63 градусов Кельвина, что примерно в пять раз меньше, чем температура млекопитающих. Гипотеза соответствия масштабов гласит, что такому существу требуется в пять раз больше реального (физического) времени, чтобы пережить такое же фактическое «количество» жизни. Таким образом, по сравнению с жизнью на Земле, жизнь в атмосфере белого карлика теряет коэффициент пять в силу того, что имеет меньшую скорость метаболизма, а также коэффициент сто в силу того, что имеет меньшую мощность. Эта потеря коэффициента 500 более чем компенсируется имеющимся в наличии временем, которое в сто миллиардов раз длиннее. Объединяя эти два конкурирующие действия, мы полагаем, что жизнь в атмосфере белого карлика имеет численное преимущество примерно в сто миллионов. Даже если эволюция жизни в атмосфере белого карлика в сто миллионов раз менее эффективна, чем биологическая эволюция на Земле, эта звезда все равно располагает такими временем и энергией, которых достаточно, чтобы породить целую сеть различных форм жизни, по своему масштабу сравнимую с биосферой сегодняшней Земли.

Однако наше понимание жизни и эволюции далеко от полного. Данная линия экстраполяции- служит не строгим предсказанием, а скорее интересной возможностью. Атмосферы белых карликов располагают достаточно большим источником энергии и воистину огромным количеством времени. В такой среде возникновение интересной химии, в принципе, возможно. Хотя, вообще, мы не можем гарантировать, что время, энергия и химия являются достаточными условиями для появления биологии. Однако в единственном известном нам примере интересная химия привела к эволюции жизни. Реализуется ли такая возможность в будущем — нам не известно.

Жизнь за пределами атмосферы белого карлика

Можно представить и более традиционную точку зрения на существование жизни в будущем. Белые карлики, живущие за счет захвата и аннигиляции частиц темной материи, обеспечивают фактическую светимость в 1015 ватт. Этот достаточно большой объем мощности испускает поверхность звезды, по размеру сравнимой с Землей. Пожелай какая-нибудь будущая цивилизация использовать эту энергию, она могла бы окружить эту звезду сферической оболочкой, которая улавливала бы излучаемую ею энергию. Такое предприятие, потребовало бы развертывания строительства планетарного масштаба — дорогая, но вполне осуществимая для высокоразвитой цивилизации цель.

В подобных системах белых карликов полная имеющаяся мощность значительно превышает ту мощность, которая в настоящее время вырабатывается и расходуется нашей цивилизацией на Земле. Эту номинальную мощность белых карликов можно включить в перспективу еще одним способом. Предположим, что цивилизация, живущая вблизи белого карлика, насчитывает миллиард граждан. Тогда каждый член этого общества имел бы доступ к одному полному мегаватту мощности: этого достаточно, чтобы на полную громкость работали десять тысяч стереомагнитофонов. Более того, такая поставка энергии может продолжаться двадцать космологических декад (сто миллиардов миллиардов лет) — значительно больше тех двухсот лет, за которые мы полностью исчерпаем запасы ископаемого топлива на нашей Земле.

Рост черных дыр

В эпоху распада черные дыры увеличиваются и становятся более массивными. Они набирают массу, пожирая звезды и газ, которые оказываются в опасной близости к «поверхности» черной дыры — горизонту событий. Как мы увидим из следующей главы, в конечном итоге черные дыры должны отдать свою гигантскую массу посредством испускания излучения, но это случится много-много позже того момента, когда наступит и завершится эпоха распада. А пока они продолжают набирать вес.

В принципе, сверхмассивные черные дыры могут поглотить всю галактику, в которой живут. Сколько времени занял бы этот процесс? Если бы черная дыра весом в один миллион Солнц, вроде той, что находится в центре Млечного Пути, поглощала звезды случайным образом, она всосала бы в себя всю нашу Галактику приблизительно за тридцать космологических декад (миллион триллионов триллионов лет). Если бы черная дыра изначально имела гораздо большую массу, скажем в один миллиард Солнц, она успела бы погубить Галактику за куда более короткий срок — примерно за двадцать четыре космологические декады. Как бы то ни было, оба этих периода куда длиннее предполагаемого времени жизни галактик. Как мы уже говорили, звезды, образующие галактики, испарятся в межгалактическое пространство по истечении всего лишь двадцати космологических декад. В результате этого большинству звезд удастся избежать «ярости» черных дыр, но некоторые из них все же погибнут именно так.

Однако и черные дыры, и немногочисленные остатки звезд будут существовать и после исчезновения галактик. По прошествии приблизительно двадцати космологических декад черные дыры и остатки звезд принадлежат к своему местному сверхскоплению, следующей по иерархии крупномасштабной структуре, к которой когда-то принадлежала галактика. Эта более крупная структура остается связанной силами гравитации и ведет себя в некотором роде как гигантская галактика. Черные дыры, по меньшей мере по одной на бывшую галактику, принадлежавшую к данному скоплению, будут блуждать по этому скоплению, поглощая звезды и прочее встречающееся им вещество. Таким образом, черные дыры продолжают наращивать массу и увеличиваться

В отсутствие противодействующих физических эффектов динамические процессы испарения звезд, гравитационного излучения (см. главу 4) и поглощения звезд черными дырами будут продолжаться в еще больших пространственных и, соответственно, временных масштабах. Конец этой иерархии должен наступить с завершением эпохи распада.

Остатки звезд и все, что мы считаем обычными веществом, образованы протонами. А по истечении огромного периода времени характер этих самых протонов изменится до неузнаваемости.

Распад протона

Один из сюрпризов, преподнесенный нам физикой частиц во второй половине двадцатого века, состоит в том, что протон, оказывается, не вечен. Протоны, на протяжении продолжительного времени считавшиеся стабильными и бесконечно долго живущими частицами, как оказалось, по истечении достаточно долгого времени могут распасться на более мелкие частицы. В сущности, протонам свойственна экзотическая разновидность радиоактивности. Они излучают более мелкие частицы и превращаются в нечто новое. Этот процесс распада займет невероятно долгое время, значительно превышающее современный возраст Вселенной, значительно превышающее время жизни звезд и даже намного превышающее время жизни галактик. Однако, по сравнению с вечностью, протоны исчезнут довольно скоро.

Как это возможно? Мы уже знакомы с позитроном — несущим положительный заряд антиматериальным партнером более привычного нам электрона. Можно предположить, что в результате распада протона должен появляться позитрон и дополнительно выделяться определенная энергия, поскольку масса протона почти в две тысячи раз больше массы позитрона. Таким образом, позитрон представляет собой состояние с более низкой энергией. Один из фундаментальных физических принципов гласит, что все системы эволюционируют в направлении состояний с более низкой энергией. Вода стекает с холма. Возбужденные атомы испускают свет. Легкие ядра типа водорода в ходе синтеза превращаются в более тяжелые, от гелия и до железа, потому что более крупные ядра имеют более низкую энергию (на частицу). Большие ядра вроде урана являются радиоактивными и распадаются на более мелкие ядра с более низкой энергией. Так почему протоны не могут распасться на позитроны или другие маленькие частицы?

На самом фундаментальном уровне многие физические теории имеют неотъемлемый закон, запрещающий распад протонов, даже несмотря на то, что в результате этого распада они могли бы перейти в состояние с более низкой энергией. Кратко этот закон можно сформулировать так: барионное число всегда сохраняется. Протоны и нейтроны состоят из обычного вещества, которое мы зовем барионным. Каждый протон или нейтрон содержит одну единицу барионного числа. Частицы типа электронов и позитронов имеют нулевое барионное число, равно как и фотоны, частицы света. Таким образом, если протон распадается на позитроны, в этом процессе происходит потеря барионного числа.