Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

С другой стороны, согласно одному из основных законов современной физики, элементарные частицы всегда «рождаются» парами: если в каком-либо физическом процессе на свет появляется, скажем, электрон, то одновременно с ним должен появиться и позитрон, т. е. антиэлектрон. Протон рождается вместе с антипротоном, а нейтрон — с антинейтроном. Куда же в таком случае девались все те античастицы, которые должны были бы составить пары с частицами кашей Вселенной?

Согласно теории, в процессе расширения Вселенной частицы и античастицы должны были аннигилировать, превращаясь в конечном итоге в фотоны и нейтрино.

Но если современные космические объекты состоят только из вещества, то это означает, что на самой ранней стадии расширения должен был существовать небольшой избыток частиц над античастицами. Избыток, который и сохранился до нашей эпохи. Его величина характеризуется отношением числа барионов к числу фотонов:

Но это не что иное, как величина, обратная удельной энтропии. Вот почему удельная энтропия столь велика.

Что же касается причин, обусловивших возникновение избытка барионов над антибарионами, то на этот счет выдвигались различные гипотезы, в том числе довольно экстравагантные, но ни одна из них не выглядела достаточно убедительной.

Еще несколько лет назад академик В. А. Амбарцумян в связи с изучением нестационарных явлений, происходящих во Вселенной, высказал мысль о том, что для их объяснения, быть может, придется пересмотреть некоторые положения теоретической физики и в первую очередь закон сохранения барионного заряда. В конце 60-х годов определенные сомнения в справедливости закона сохранения барионного заряда возникли у физиков и астрофизиков также и в связи с зарядовой асимметрией Вселенной. Сейчас же, в свете теории «Великого объединения», эти сомнения получили весьма серьезные основания.

Когда в процессе расширения Вселенной температура была выше 1028 К, пространство заполняла сверхгорячая смесь, состоявшая из равных количеств всех фундаментальных частиц и соответствующих им античастиц. В этот период барионный заряд был равен нулю.

Если бы такое положение сохранилось и в дальнейшем, то по мере расширения Вселенной и понижения температуры все тяжёлые частицы проаннигилировали бы со своими античастицами и к современной нам эпохе не осталось бы ни протонов, ни нейтронов, т. е. не было бы вещества, а только фотоны и нейтрино.

Но все дело в том, что согласно теории «Великого объединения» при температуре порядка 1028 К могли рождаться сверхтяжелые частицы с энергиями порядка 1015 ГэВ (масса этих частиц была равна 1014 масс протона). Такая температура в процессе расширения Вселенной была достигнута спустя 10-35 секунды после начала расширения.

Затем сверхтяжелые частицы и их античастицы распадались, но у частиц и античастиц эти распады происходили с разной вероятностью. В конечном итоге это и привело к тому, что образовался небольшой избыток барионов над антибарионами, т. е. появился барионный заряд.

От настоящего к будущему

Гораздо сложнее обстоит дело с «построением» картины будущего. Это всегда чисто теоретическая экстраполяция, прямая проверка которой невозможна. В полной мере подтвердить ее или опровергнуть может только само дальнейшее развитие событий, само будущее: Но если теории, на которые мы опираемся, в достаточной степени обоснованы, то такая экстраполяция все же представляет известный интерес. Во всяком случае она рисует нам принципиально возможные варианты тех событий, которые могут произойти в грядущем.

Как известно, существуют два основных варианта возможного будущего нашей Вселенной. Либо разбегание галактик в какой-то момент прекратится и Вселенная начнет сжиматься, либо это расширение будет продолжаться неограниченно. В первом случае Вселенная, видимо, в конце концов вернется к первоначальному сверхплотному состоянию. А что произойдет во втором?

Данные современной физики позволяют обрисовать наиболее существенные моменты соответствующего развития событий.

Настанет время, запасы водорода во Вселенной исчерпаются — образование звезд прекратится. Существовавшие до этого звезды полностью израсходуют водород и превратятся либо в холодные тела, либо в черные дыры. Произойдет это примерно через 1014 лет, т. е. через промежуток времени, в 10 тысяч раз превосходящий современный возраст нашей Вселенной.

А какая судьба ожидает звездные острова-галактики? Под действием случайных возмущений отдельные звезды из их внешних частей будут выбрасываться в межгалактическое пространство. Центральные области галактик будут сжиматься и превращаться в сверхмассивные черные дыры, которые своим чудовищным притяжением станут втягивать в себя и поглощать еще оставшиеся звезды. Это случится через 1019 лет, т. е. тогда, когда все звезды уже давным-давно погаснут.

Какие события ожидают Вселенную в дальнейшем? Как мы уже знаем, среднее время жизни протона около 1032 лет, после чего он должен распасться. Продуктами такого распада являются позитрон и излучение в виде фотонов и нейтрино; возможно также образование нескольких электронно-позитронных пар. Что же касается нейтронов, то, как мы уже знаем, в свободном состоянии они довольно быстро распадаются на протоны, электроны и антинейтрино. А в атомных ядрах они ведут себя подобно протону.

Следовательно, через 1032 лет все ядра вещества полностью распадутся. Но еще останутся во Вселенной черные дыры: не очень массивные, образовавшиеся в результате коллапса звезд, и сверхмассивные, возникшие при сжатии центральных частей галактик. Но, как уже говорилось выше, и черные дыры не вечны — они постепенно «испаряются». В течение 1069 лет исчезнут звездные черные дыры, а через 1096 лет такая же участь постигнет и сверхмассивные. Наступит эра излучения…

Через 10100 лет во Вселенной останется только излучение и электронно-позитронная плазма, рассеянная в пространстве с невообразимо малой плотностью: одна частица в объеме пространства, в 10185 раз превосходящем объем наблюдаемой в настоящее время Вселенной.

Не вызывает ли подобная картина будущего Вселенной ощущения безысходного пессимизма? Ведь невольно возникает вопрос: а что же будет с жизнью?

Известный американский физик Ф. Дайсон считает, например, что и в такой Вселенной жизнь все-таки сохранится, хотя и в совершенно непривычных нам формах. Но ее пульс будет биться все медленнее и медленнее. Ведь и наша собственная современная жизнь по сравнению со стремительным темпом событий, происходивших в первые секунды расширения Вселенной, — это нечто чрезвычайно медленное и растянутое в пространстве.

Источником нашего оптимизма должно служить и то обстоятельство, что от катастрофических изменений в состоянии Вселенной нас отделяют десятки, сотни, а возможно, и тысячи миллиардов лет. Это не следует понимать как совет встать на пресловутую точку зрения: «после нас хоть потоп». Речь идет о том, что, познавая все более глубокие закономерности окружающего мира, человек приобретает возможность управлять все более сложными природными процессами. И не исключено, что через миллиарды лет, а возможно и раньше, человек сумеет изменять по своему желанию течение явлений даже космического порядка.

Наконец, следует напомнить и о том, что картина будущего Вселенной, которую мы нарисовали с позиций современной физики и астрофизики, — это лишь теоретическая экстраполяция. В процессе дальнейшей эволюции материи могут возникнуть необычайные условия, способные породить неизвестные нам процессы и вызвать к жизни неизвестные нам силы, которые существенным образом могут повлиять на ход событий и в корне изменить ситуацию.

Игра во внеземные цивилизации по-научному

В последние годы на страницах газет и журналов, особенно зарубежных, то и дело появляются сенсационные сообщения о будто бы обнаруженных следах практической деятельности инопланетных разумных существ, а спустя некоторое время эти сообщения подвергаются уничтожающей критике со стороны специалистов. С другой стороны, сами ученые в связи с проблемой внеземных цивилизаций ставят и вполне серьезно обсуждают такие вопросы, которые на первый взгляд относятся скорее к области научной фантастики.

Чем это объяснить? И вообще: можно ли считать проблему внеземных цивилизаций научной проблемой? Ведь речь идет об изучении объекта, о котором мы не только не располагаем ни прямыми, ни косвенными данными, но относительно которого у нас нет даже уверенности в том, что он реально существует.

Возникает вполне закономерный и естественный вопрос: можно ли изучать «то, чего нет», и если можно, то каким образом? И что представляет собой то знание, которое в результате такого исследования мы получим? О чем оно?