Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Сколько времени заняла бы подобная реструктуризация ядер? Ядерная активность такого типа преобразовала бы ядра камня в железо примерно за пятнадцать сотен космологических декад. Если бы произошел этот ядерный процесс, в космос была бы испущена избыточная энергия, потому что ядра железа соответствуют более низкому энергетическому состоянию. Однако этот процесс холодного ядерного синтеза никогда не будет доведен до конца. Он даже никогда по-настоящему не начнется. Все протоны, составляющие ядра, распадутся на меньшие частицы много раньше, чем ядра преобразуются в железо. Даже самое длинное возможное время жизни протона составляет менее двухсот космологических декад — много короче огромного промежутка времени, необходимого для холодного синтеза. Другими словами, ядра распадутся прежде, чем у них появится шанс превратиться в железо.

Другой физический процесс, требующий слишком долгого времени, чтобы считаться важным для космологии, — это туннелирование вырожденных звезд в черные дыры. Поскольку черные дыры — это самые низкоэнергетические состояния, доступные звездам, вырожденный объект типа белого карлика имеет большую энергию, чем черная дыра той же массы. Таким образом, если бы белый карлик мог самопроизвольно преобразоваться в черную дыру, он высвободил бы лишнюю энергию. Однако обычно подобного преобразования не происходит из-за энергетического барьера, создаваемого давлением вырожденного газа, который поддерживает существование белого карлика.

Несмотря на энергетический барьер, белый карлик мог бы преобразоваться в черную дыру посредством квантово-механического туннелирования. Из-за принципа неопределенности все частицы (1057 или около того), составляющие белый карлик, могли бы оказаться в пределах столь малого пространства, что образовали бы черную дыру. Однако это случайное событие требует чрезвычайно длительного времени — порядка 1076 космологических декад. Преувеличить воистину огромный размер 1076 космологических декад — невозможно. Если этот необъятно большой промежуток времени записать в годах, получится единица с 1076 нулями. Мы могли бы даже не начинать записывать это число в книге: оно имело бы порядка одного нуля на каждый протон в видимой современной Вселенной, плюс-минус пару порядков величины. Нет нужды говорить, что протоны распадутся и белые карлики исчезнут задолго до того, как Вселенная достигнет 1076-й космологической декады.

Что же на самом деле происходит в процессе долгосрочного расширения?

Хотя многие события фактически невозможны, остается обширный диапазон теоретических возможностей. Самые обширные категории будущего поведения космоса основаны на том, является ли Вселенная открытой, плоской или замкнутой. Открытая или плоская Вселенная будет расширяться вечно, тогда как замкнутая Вселенная переживет повторное сжатие по истечении некоторого определенного времени, которое зависит от исходного состояния Вселенной. Однако рассматривая более спекулятивные возможности, мы обнаруживаем, что будущая эволюция Вселенной может оказаться гораздо сложнее, чем предполагает эта простая классификационная схема.

Основная проблема состоит в том, что мы можем производить имеющие физический смысл измерения и, следовательно, делать определенные заключения только в отношении местной области Вселенной — части, ограниченной современным космологическим горизонтом. Мы можем измерить общую плотность Вселенной внутри этой местной области, диаметр которой составляет около двадцати миллиардов световых лет. Но измерения плотности в пределах этого местного объема, увы, не определяют долгосрочную судьбу Вселенной в целом, т. к. наша Вселенная может быть намного больше.

Предположим, к примеру, что нам удалось бы измерить, что космологическая плотность превышает значение, необходимое для замыкания Вселенной. Мы пришли бы к экспериментальному заключению, что в будущем наша Вселенная должна пережить повторное сжатие. Вселенную явно отправили бы через ускоряющуюся последовательность природных катаклизмов, ведущих к Большому сжатию, описанному в следующем разделе. Но это далеко не все. Наша местная область Вселенной — та часть, которая, по нашим наблюдениям, является замкнутой в данном сценарии мнимого армагеддона, — могла бы оказаться вложенной в гораздо большую область с гораздо меньшей плотностью. В этом случае сжатие пережила бы только некоторая часть всей Вселенной. Оставшаяся же часть, охватывающая, быть может, большую часть Вселенной, могла продолжить бесконечно расширяться.

Читатель, возможно, с нами не согласится и скажет, что от подобного усложнения мало толку: нашей собственной части Вселенной все равно суждено пережить повторное сжатие. Наш мир все равно не избежит разрушения и гибели. И все же этот беглый взгляд на большую картину существенно изменяет нашу перспективу. Если большая Вселенная выживет как единое целое, гибель нашей местной области не является такой уж трагедией. Мы не станем отрицать, что разрушение одного города на Земле, скажем из-за землетрясения, — событие страшное, но все же оно далеко не так ужасно, как полное уничтожение всей планеты. Точно так же, утрата одной маленькой части целой Вселенной не так разорительна, как потеря всей Вселенной. Сложные физические, химические и биологические процессы все равно могут развернуться в далеком будущем, где-то во Вселенной. Разрушение нашей местной Вселенной могло бы стать лишь еще одной катастрофой из целого ряда астрофизических бедствий, который, возможно, принесет будущее: гибель нашего Солнца, конец жизни на Земле, испарение и рассеяние нашей Галактики, распад протонов, а следовательно, разрушение всего обычного вещества, испарение черных дыр и т. д.

Выживание большей Вселенной предоставляет возможность для спасения: либо реального путешествия на далекие расстояния, либо заменяющего его избавления посредством передачи информации через световые сигналы. Этот спасительный путь может оказаться сложным или даже запрещенным: все зависит от того, каким образом замкнутая область нашего местного пространства-времени сочетается с большей областью Вселенной. Однако тот факт, что жизнь может продолжиться где-то еще, позволяет не умереть надежде.

Если произойдет повторное сжатие нашей местной области, времени на то, чтобы в нашей части Вселенной произошли все астрономические события, описанные в этой книге, может не хватить. Однако в конечном итоге эти процессы все равно произойдут в каком-то другом месте Вселенной — далеко от нас. Сколько времени у нас есть до повторного сжатия местной части Вселенной — зависит от плотности местной части. Хотя современные астрономические измерения свидетельствуют о том, что ее плотность мала настолько, что наша местная часть Вселенной не схлопнется вообще, в темноте может скрываться дополнительная невидимая материя. Максимально возможное разрешенное значение местной плотности примерно в два раза превышает значение, необходимое для того, чтобы местная часть Вселенной была замкнутой. Но даже с этой максимальной плотностью Вселенная не может начать сжиматься до истечения, по меньшей мере, двадцати миллиардов лет. Это временное ограничение дало бы нам отсрочку местной версии Большого сжатия, по меньшей мере, еще в пятьдесят миллиардов лет.

Может возникнуть также и противоположный набор обстоятельств. Наша местная часть Вселенной может продемонстрировать относительно низкую плотность и, следовательно, получить право на вечную жизнь. Однако этот местный клочок пространства-времени может быть вложен в гораздо большую область с гораздо более высокой плотностью. В этом случае, когда наш местный космологический горизонт станет достаточно большим, чтобы включить большую область с более высокой плотностью, наша местная вселенная станет частью большей Вселенной, которой суждено пережить повторное сжатие.

Этот сценарий разрушения требует, чтобы наша местная Вселенная имела почти плоскую космологическую геометрию, потому что только в таком случае скорость расширения продолжает постоянно падать. Почти плоская геометрия позволяет все большим и большим областям метамасштабной Вселенной (большой картины Вселенной) воздействовать на местные события. Эта большая окружающая область просто должна быть плотной ровно настолько, чтобы в конечном итоге пережить повторное сжатие. Она должна прожить достаточно долго (то есть не схлопнуться слишком рано), чтобы наш космологический горизонт мог разрастись до требуемого крупного масштаба.

Если эти идеи реализуются в космосе, то наша местная вселенная — это совсем не «то же самое», что и много большая область Вселенной, которая ее поглощает. Таким образом, на достаточно больших расстояниях явно нарушался бы космологический принцип: Вселенная не была бы одинаковой в каждой точке пространства (однородной) и необязательно одинаковой во всех направлениях (изотропной). Подобная потенциальная возможность вовсе не сводит на нет использование нами космологического принципа для изучения истории прошлого (как в теории Большого взрыва), так как Вселенная явно однородна и изотропна в пределах нашей местной области пространства-времени, радиус которой в настоящее время составляет около десяти миллиардов световых лет. Любые потенциально возможные отклонения от однородности и изотропности относятся к большим размерам, а значит, могут проявиться только в будущем.