Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Любые ядра звезд, или коричневые карлики, дожившие до этой эпохи испарения, будут самым бесцеремонным образом разорваны на куски. Когда температура фонового излучения достигнет десяти миллионов градусов Кельвина, что сравнимо с современным состоянием центральных областей звезд, любое оставшееся ядерное топливо может воспламениться и привести к сильнейшему и эффектнейшему взрыву. Таким образом, звездные объекты, которые умудрятся пережить испарение, внесут свой вклад в общую атмосферу конца света, превратившись в фантастические водородные бомбы.

Планеты в сжимающейся Вселенной разделят участь звезд. Гигантские газовые шары, вроде Юпитера и Сатурна, испаряются гораздо легче звезд и оставляют после себя лишь центральные ядра, неотличимые от планет земного типа. Любая жидкая вода уже давным-давно испарилась с поверхностей планет, а совсем скоро ее примеру последуют также их атмосферы. Остаются только голые и бесплодные пустыри. Каменистые поверхности плавятся, и слои жидкого камня постепенно утолщаются, в конечном итоге, захватывая всю планету. Гравитация удерживает гибнущие расплавленные остатки от разлетания, а они создают тяжелые силикатные атмосферы, которые, в свою очередь, утекают в космическое пространство. Испаряющиеся планеты, окунаясь в ослепительное пламя, исчезают без следа.

Когда планеты покидают сцену, атомы межзвездного пространства начинают распадаться на составляющие их ядра и электроны. Фоновое излучение становится настолько сильным, что фотоны (частицы света) получают достаточную энергию, чтобы высвободить электроны. В результате этого в последние несколько сотен тысяч лет атомы прекращают свое существование и вещество распадается на заряженные частицы. Фоновое излучение сильно взаимодействует с этими заряженными частицами, в силу чего вещество и излучение тесно переплетаются. Космические фоновые фотоны, которые беспрепятственно путешествовали на протяжении почти шестидесяти миллиардов лет с момента рекомбинации, попадают на поверхность их «следующего» рассеивания.

Рубикон перейден, когда Вселенная сжимается до одной десятитысячной ее настоящего размера. На этом этапе плотность излучения превышает плотность вещества — так было только сразу после Большого взрыва. Во Вселенной снова начинает доминировать излучение. Из-за того что вещество и излучение ведут себя по-другому, поскольку претерпели сжатие, дальнейшее сжатие немного изменяется, когда Вселенная переживает этот переход. Осталось всего десять тысяч лет.

Когда до финального сжатия остается лишь три минуты, начинают распадаться атомные ядра. Этот распад продолжается до последней секунды, к которой разрушатся все свободные ядра. Эта эпоха антинуклеосинтеза весьма существенно отличается от бурного нуклеосинтеза, произошедшего в первые несколько минут первичной эпохи. В первые несколько минут истории космоса образовались только самые легкие элементы, главным образом, водород, гелий и чуть-чуть лития. В последние же несколько минут в космосе присутствуют самые разнообразные тяжелые ядра. Ядра железа удерживают самые прочные связи, поэтому их распад требует самой большой энергии на частицу. Однако сжимающаяся Вселенная создает все более высокие температуры и энергии: рано или поздно в этой безумно разрушительной среде погибнут даже ядра железа. В последнюю секунду жизни Вселенной в ней не остается ни одного химического элемента. Протоны и нейтроны вновь становятся свободными — как и в первую секунду истории космоса.

Если в эту эпоху во Вселенной остается хоть какая-то жизнь, момент разрушения ядер становится той чертой, из-за которой не возвращаются. После этого события во Вселенной не останется ничего, что хотя бы отдаленно напоминало основанную на углероде земную жизнь. Во Вселенной не останется углерода. Любой организм, которому удастся пережить распад ядер, должен принадлежать к воистину экзотическому виду. Быть может, увидеть последнюю секунду жизни Вселенной смогли бы существа, в основе которых лежит сильное взаимодействие.

Последняя секунда во многом напоминает фильм о Большом взрыве, показанный задом наперед. После распада ядер, когда от гибели Вселенную отделяет всего одна микросекунда, распадаются сами протоны и нейтроны, и Вселенная превращается в море свободных кварков. По мере продолжения сжатия Вселенная становится более горячей и плотной, и в ней, судя по всему, изменяются законы физики. Когда Вселенная достигает температуры примерно в 1015 градусов Кельвина, слабое ядерное взаимодействие и электромагнитная сила объединяются в электрослабое взаимодействие. Это событие является своего рода космологическим фазовым переходом, отдаленно напоминающим превращение льда в воду. Когда мы подходим к более высоким энергиям, приближаясь к концу времени, мы удаляемся от прямых экспериментальных подтверждений, в силу чего повествование, хотим мы того или нет, становится более спекулятивным. И все же мы продолжаем. Как никак, у Вселенной осталось еще 10-11 секунд истории.

Следующий важный переход происходит, когда сильное взаимодействие объединяется с электрослабым. Это событие, называемое великим объединением, объединяет три из четырех фундаментальных сил природы: сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнитную силу. Это объединение происходит при невероятно высокой температуре, равной 1028 градусам Кельвина, когда Вселенной остается жить всего 10-37 секунд.

Последнее важное событие, которое мы можем отметить в нашем календаре, — это объединение гравитации с тремя остальными силами. Это ключевое событие происходит, когда сжимающаяся Вселенная достигает температуры примерно в 1032 градусов Кельвина и до Большого сжатия остается всего 10-43 секунд. Эту температуру или энергию обычно называют величиной Планка. К сожалению, ученые не располагают самосогласованной физической теорией для такого масштаба энергий, где все четыре фундаментальные силы природы объединяются в одно целое. Когда в ходе повторного сжатия происходит это объединение четырех сил, наше современное понимание законов физики утрачивает свою адекватность. Что произойдет дальше — нам не известно.

Тонкая настройка нашей Вселенной

Посмотрев на события невозможные и невероятные, остановимся на самом экстраординарном событии, которое произошло, — зарождении жизни. Наша Вселенная — довольно удобное место для жизни, как знаем ее мы. На самом деле, важную роль в ее развитии играют все четыре астрофизических окна. Планеты, самое малое окно астрономии, служат для жизни домом. Они предоставляют «чашки Петри», в которых может возникнуть и эволюционировать жизнь. Важность звезд также очевидна: они являются источником энергии, необходимой для биологической эволюции. Вторая фундаментальная роль звезд состоит в том, что они, подобно алхимикам, образуют элементы, тяжелее гелия: углерод, кислород, кальций и другие ядра, из которых состоят известные нам формы жизни.

Чрезвычайно важны также галактики, хоть это и не столь очевидно. Без связующего влияния галактик тяжелые элементы, производимые звездами, рассеялись бы по всей Вселенной. Эти тяжелые элементы суть неотъемлемые строительные кирпичики, из которых состоят как планеты, так и все формы жизни. Галактики с их большими массами и сильным гравитационным притяжением, удерживают от разлетания химически обогащенный газ, оставшийся после гибели звезд. Впоследствии этот ранее обработанный газ включается в будущие поколения звезд, планет и людей. Таким образом, гравитационное притяжение галактик обеспечивает легкую доступность тяжелых элементов для последующих поколений звезд и для образования каменистых планет типа нашей Земли.

Если говорить о самых больших расстояниях, то сама Вселенная должна обладать нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. И хотя у нас нет ничего хотя бы отдаленно напоминающего полное понимание жизни и ее эволюции, относительно определенным является одно базовое требование: на это уходит много времени. Появление человека заняло около четырех миллиардов лет на нашей планете, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная, в целом, должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развитие жизни, по крайней мере, в случае биологии, хотя бы смутно напоминающей нашу.

Свойства нашей Вселенной в целом также позволяют обеспечить химическую среду, благоприятствующую развитию жизни. Хотя более тяжелые элементы вроде углерода и кислорода синтезируются в звездах, водород тоже является жизненно важным компонентом. Он входит в состав двух из трех атомов воды, H2O, — важной составляющей жизни на нашей планете. Рассматривая огромный ансамбль возможных вселенных и их возможных свойств, мы замечаем, что в результате первичного нуклеосинтеза весь водород мог быть переработан в гелий и даже более тяжелые элементы. Или Вселенная могла расшириться так быстро, что протоны и электроны так и не встретились бы, чтобы образовать атомы водорода. Как бы там ни было, Вселенная могла бы закончиться, так и не создав атомы водорода, составляющие молекулы воды, без которой не было бы обычной жизни.