Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Жизнь и смерть позитрония

Вероятно, самым оживленным действом в эпоху вечной тьмы будут процессы с участием атомов позитрония. В отсутствие протонов и нейтронов обычные атомы невозможны. С другой стороны, в относительно больших количествах будут существовать позитроны — положительно заряженные антиматериальные партнеры электронов. Электроны и позитроны могут объединиться в атомные структуры, аналогичные традиционным атомам водорода, состоящим из одного протона и одного электрона. Атом, образованный позитроном и электроном, называется позитронием.

Атомные свойства позитрония заметно отличаются от свойств традиционных атомов в двух отношениях. Поскольку масса позитрона в две тысячи раз меньше массы протона, изменяются орбиты электронов. Таким образом, химия позитрония весьма отличается от химии водорода. Однако гораздо важнее то, что позитрон и электрон могут аннигилировать друг с другом, на что не способны протон и электрон в обычном водородном атоме. Так что судьба атомов позитрония решается в момент их образования. При наличии достаточного времени электрон и позитрон должны аннигилировать друг с другом, образуя крошечный выброс излучения.

Синтез атомов позитрония в земных лабораториях — дело довольно обычное. Обычно эти атомы создаются в низкоэнергетических состояниях и имеют микроскопические размеры, примерно сравнимые с размером обычных атомов. Эти микроскопические атомы позитрония живут лишь крошечную долю секунды, по истечении которой исчезают из Вселенной в результате аннигиляции. Это короткое время жизни, крайне неудовлетворительное для нас, обусловлено крошечным размером, с которым рождаются эти атомы.

К счастью, в очень поздней Вселенной фоновая плотность сильно размыта и образующиеся атомы позитрония имеют орбиты невероятно больших радиусов. Типичный размер позитрония, образованного в эпоху вечной тьмы, составляет триллионы световых лет — больше, чем вся видимая сегодня Вселенная. Предполагается, что образование позитрония этого типа начнется где-то около семьдесят первой космологической декады. Эти огромные атомы рождаются в состояниях относительно высоких энергий по сравнению с микроскопическими атомами позитрония, которые так быстро распадаются. Электрон и позитрон медленно вращаются вокруг друг друга и постепенно отдают чрезвычайно маленькие количества излучения при постоянном уменьшении их орбит. Эти частицы кружатся в экзотическом танце, который в конечном итоге приводит к полному разрушению его участников и абсолютному краху накопленной ими энергии. Атомы позитрония с такими огромными начальными размерами распадаются по истечении довольно долгого промежутка времени — около ста сорока пяти космологических декад. Таким образом, будущая Вселенная содержит окно времени, в течение которого позитроний может образоваться и существовать, до того как произойдет его неизбежное саморазрушение. Середина этого окна приходится примерно на сотую космологическую декаду — время, когда, напоследок вспыхнув, Вселенную покидают черные дыры с галактическими массами.

Здесь возникает важный вопрос: способны ли эти атомы позитрония, или, быть может, еще более необычные атомные структуры будущего, объединиться, образуя хоть какие-то сложные объекты. Возможны ли в этом темном будущем процессы, хотя бы отдаленно напоминающие химические реакции, которые мы видим на Земле сегодня? Достаточно ли ста сорока пяти космологических декад, чтобы произошла какая-либо «биологическая» эволюция? Как выглядели бы формы жизни, существующие в эту эпоху? Эти вопросы остаются без ответа, но именно в них содержится ключ к возможным жизненным процессам в эпоху вечной тьмы.

Образование и окончательное разрушение позитрония представляет собой еще один этап непрерывной борьбы гравитации и термодинамики — противостояние, которое существует и в эпоху вечной тьмы. В эту позднюю эпоху образование позитрония, в сущности, обусловлено электрическим притяжением частиц, хотя силы гравитации могут объединять даже большие группы частиц. Несмотря на то, что, по меркам современной Вселенной, эти атомы позитрония — истинные долгожители, они представляют собой преходящие структуры и все равно распадутся, превратясь в излучение. Таким образом, — неизбежная гибель позитрония — это еще одна победа термодинамики и производства энтропии. И вновь, в конечном итоге, торжествует беспорядок.

Бесконечная аннигиляция

Иллюстрацией к тому, как Вселенная продолжает действовать, хотя и замедляется, служит простой процесс аннигиляции частиц. В результате аннигиляции масса-энергия превращается в излучение и тем самым обеспечивает источник энергии для Вселенной. Аналогичным образом, в наши дни Солнце является источником энергии для Земли, а звезды — для Вселенной, хотя и в очень разных масштабах.

Вселенная будущего, например, содержит и электроны, и их антиматериальные двойники — позитроны. Когда эти частицы подходят друг к другу достаточно близко, происходит аннигиляция и вся их масса-энергия высвобождается во всплеске излучения. Во время этой вспышки образуется энтропия. В случае с позитронами и электронами, как описано выше, эти частицы перед окончательной аннигиляцией нередко образуют атомы позитрония. Однако если рассматривать этот процесс в масштабе времени, значительно превышающем время жизни позитрония, равное ста сорока пяти космологическим декадам, нет нужды переживать из-за этого мимолетного промежуточного этапа. Другие частицы, или пары частиц, тоже могут дожить до эпохи вечной тьмы и аннигилировать аналогичным образом. До этого времени вполне могут дожить и принять участие в будущей аннигиляции, например, слабо взаимодействующие частицы темной материи.

Закончится ли когда-нибудь во Вселенной запас частиц, которые могут аннигилировать? Ответ на этот вопрос объясняет многое и служит хорошей иллюстрацией к почти бесконечной природе этой космической конечной игры. Полная доля плотности энергии Вселенной, которая аннигилирует в эпоху вечной тьмы, есть малая и известная величина. Аннигиляция частиц дает лишь конечное количество энергии (в пределах данной области Вселенной) за все время эпохи вечной тьмы. Скорость аннигиляции заметно уменьшается по мере того, как Вселенная расширяется и становится более разреженной, однако аннигиляция частиц продолжается, пока существует Вселенная. Нет такого момента в будущем, когда Вселенная достигает состояния, в котором частицы перестают аннигилировать. Какой бы старой ни стала Вселенная, в ней всегда остается место сопровождающимся вспышками аннигиляционным событиям, которым еще только предстоит произойти и, пусть незначительно и ненадолго, осветить темное небо.

Таким образом, мы имеем несколько запутанную ситуацию: аннигиляция частиц продолжается вечно, но образует в данной области Вселенной постоянное количество энергии. Этот мнимый парадокс легко разрешается, если принять во внимание снижение скорости аннигиляции. За бесконечный промежуток времени Вселенная выдает постоянное количество энергии. Подобная практика сохранения лишь усиливает энергетический кризис будущего и точно определяет смысл следующего выражения: становясь старше, Вселенная «замедляется».

Итак, Вселенная сильно замедляется, но никогда не утрачивает всей своей энергии. Можно ли считать Вселенную, которой свойственна подобная бесконечность, обладающей вечной жизнью? Наверное, да, но это будет довольно оптимистичная точка зрения. Пол Дэвис, известный физик и писатель, назвал эту позднюю фазу эволюции Вселенной «вечной смертью». Эта вечно умирающая Вселенная продолжает развиваться и замедляться, но так и не достигает финального момента замыкания, подобного смерти.

Продолжающаяся аннигиляция частиц и другие связанные с ней процессы служат еще одним примером временного принципа Коперника, о котором мы рассказали во введении. Какой бы старой ни стала Вселенная, в ней продолжают происходить интересные физические процессы. На самом деле Вселенная в эпоху вечной тьмы вовсе не обязана быть таким уж темным и скучным местом. При наличии достаточного времени эволюцию могут вызвать значительные события воистину вселенского масштаба. Однако время — это единственный товар, которым богата умирающая Вселенная будущего.

Процессы туннелирования и будущие фазовые переходы

В начале этой главы описывается космологический фазовый переход — потенциальная космическая катастрофа грандиозных размеров. Принимая во внимание широту этого гипотетического, но все же возможного, будущего события, нам стоит исследовать этот процесс чуть более подробно. Вселенная, в принципе, может содержать значительное количество энергии вакуума. Другими словами, пустое, на первый взгляд, пространство на деле может оказаться не таким уж пустым. Вспомним, что энергетический вклад именно этого типа может привести к инфляционному расширению Вселенной, которое происходит через несколько мгновений после Большого взрыва в еще совсем юной Вселенной. Эта же энергия вакуума, хотя и с гораздо меньшей плотностью, может присутствовать и в современной Вселенной. Как только мы поймем, что состояние вакуума может обладать какой-то энергией, несложно представить, что этот вакуум может иметь и много разных состояний энергии, отличающихся друг от друга. Вселенная с многочисленными состояниями энергии вакуума может иметь чрезвычайно интересный долгосрочный эффект: в будущем этот вакуум может стать нестабильным и Вселенная может подвергнуться преобразованию и перейти в совершенно новое состояние — состояние с более низкой энергией вакуума.