Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Ясно, что существование «скрытой массы» кардинально меняет нашу оценку общей усредненной плотности всех масс Вселенной. Если учет только видимого вещества давал три процента от критической плотности, то учет скрытой массы в скоплениях повышает это отношение до 50 процентов. Возможно, что есть «скрытая масса» и между скоплениями галактик. Ее обнаружить особенно трудно. Но если это так, то не исключено, что полная средняя плотность равна критической плотности или даже несколько больше ее.

Таким образом, пока нельзя сказать, больше ли истинная плотность всех видов вещества во Вселенной, чем критическая, или нет. Значит, мы пока не можем сказать определенно, будет ли Вселенная расширяться неограниченно долго или же в будущем она начнет сжиматься. Но если когда-нибудь расширение и сменится сжатием, то очень не скоро — не раньше многих десятков миллиардов лет.

Что представляет собой скрытая масса? Надо прямо сказать, что физическая природа ее пока не ясна. Частично она может быть обусловлена огромным числом слабо светящихся и поэтому практически невидимых издали звезд или других несветящихся небесных тел.

Однако вероятнее, что скрытая масса является своеобразным реликтом тех физических процессов, которые протекали в первые мгновения расширения Вселенной. Скрытая масса, возможно, является совокупностью большого числа элементарных частиц, обладающих массой и слабовзаимодействующих с обычным веществом. Теория предсказывает существование таких частиц. Ими могут быть, например, нейтрино, если они обладают массой покоя, о чем пока мы не знаем.

Что произойдет во Вселенной в будущем? Ответ зависит от того, будет ли неограниченно происходить расширение Вселенной. Предположим, что плотность материи во Вселенной не превосходит критическую, расширение продолжается вечно, и посмотрим, что тогда произойдет.

Конечно, в отдаленном будущем Вселенная изменится качественно. Она совсем не будет походить на сегодняшнюю Вселенную точно так же, как эта последняя совсем не похожа на Вселенную первых мгновений после ее зарождения.

В будущей Вселенной звезды погаснут. Источником энергии, поддерживающим их свечение, являются ядерные процессы в их недрах. Но так как запасы ядерной энергии в звездах ограничены, то рано или поздно они исчерпаются. Известно, что полная продолжительность жизни нашего Солнца исчисляется 10 миллиардами лет. Более массивные звезды живут еще интенсивнее, быстрее и в конце своей эволюции взрываются. Часть их превращается после смерти в черные дыры, другие становятся очень плотными белыми карликами или сверхплотными нейтронными звездами. Плотные звезды будут остывать и превратятся со временем в совсем холодные небесные тела.

В современной Вселенной из разреженного газа рождаются новые звезды, но запасы газа также рано или поздно исчерпаются, и в будущем процесс образования звезд прекратится. Знакомый нам космолог Дж. Леметр писал: «Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров».

Примерно через сто тысяч миллиардов лет погаснут самые последние звезды.

Что будет в совсем отдаленном будущем с холодными плотными небесными телами — остатками погасших звезд — и с крайне разреженным газом между ними?

Для их судьбы определяющим является медленный процесс распада вещества Вселенной, предсказываемый современной физикой. Оказывается, все вещество, из которого состоят звезды, планеты и мы с вами, не вечно, и в отдаленном будущем оно исчезнет. Рассмотрим, как это произойдет.

Мы хорошо знаем о возможности взаимного превращения элементарных частиц. Так, например, протон, сталкиваясь с электроном большой энергии, может превратиться в нейтрон с испусканием нейтрино. Свободный нейтрон распадается, превращаясь в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Частицы здесь превращаются друг в друга, и рождаются новые частицы.

Но во всех этих и других реакциях, в которых участвуют частицы, состоящие из кварков, сохраняется барионное число. При превращении, например, протона в нейтрон u-кварк превращается в d-кварк. В реакции распада нейтрона происходит обратное изменение. Сами кварки при этом никуда не деваются, барионное число сохраняется. Таким образом, во всех известных до сих пор реакциях выполняется закон сохранения барионного числа.

Этот закон обеспечивает стабильность вещества Вселенной. Из-за закона сохранения барионного числа протон не распадается на более легкие частицы, например, на позитрон и световые кванты. Но тут читатель может задать вопрос: «Почему, собственно, протон должен вообще иметь тенденцию распадаться на более легкие частицы? Если протон состоит из каких-то частей (кварков), накрепко связанных цветовыми силами в единую систему, то с чего вдруг могут возникнуть какие-то причины его распада?»

Дело в том, что тенденция к распаду частиц на более легкие с выделением энергии отражает всеобщий закон природы: система стремится прийти в состояние с минимумом энергии, выделив при этом избыток имеющейся энергии.

Иллюстрацией этого закона могут служить следующие простые примеры. Пусть мы сжали пружину (сообщили ей энергию) и закрепили ее защелкой. Пружина стремится распрямиться, выделить сообщенную ей при сжатии энергию, прийти в состояние с минимумом энергии. Если защелку открыть или если она ненадежная и сама случайно «сработает», то так и произойдет. Другой пример. Тяжелый камень находится в небольшой впадине на вершине холма. Если его подтолкнуть, сообщив ему сравнительно небольшую энергию, способную поднять его на край впадины, то дальше он уже сам скатится вниз по внешнему склону холма, выделив в конце пути куда большую энергию, чем получил при первоначальном толчке, и придет в состояние с минимумом энергии у подножия холма.

Таким образом, у системы, обладающей запасом энергии (как говорят, возбужденной системы), всегда есть «желание» от нее избавиться, прийти в наинизшее энергетическое состояние. Как говорят физики, ей это «энергетически выгодно». Для пребывания в возбужденном энергетическом состоянии надо, чтобы была какая-то причина, мешающая системе освободиться от избытка энергии (защелка или впадина в приведенных выше примерах).

Теперь вспомним, что энергии всегда соответствует масса. Значит, возбужденное состояние всегда более массивно, чем невозбужденное. Теперь уже нетрудно понять, что если элементарная частица в принципе может распасться на более легкие, сумма масс которых меньше исходной частицы, то это означает, что при распаде выделилась энергия, эквивалентная разности масс исходной частицы и сумме масс, возникающих при распаде частиц. То есть такой распад энергетически для частицы выгоден.

Чтобы он не происходил сам собой, должна быть какая-то причина, ему препятствующая, или, на языке физиков, какой-то запрет. В случае протона препятствием превращения его в позитрон (который гораздо легче протона) с выделением энергии в виде световых квантов является закон сохранения барионного числа. Отметим, кстати, что распад свободного нейтрона происходит сам собой, так как масса нейтрона больше суммы масс возникающих частиц и этот процесс энергетически выгоден.

Сделаем еще одно пояснение. Почему мы говорим, что протон, если распадается, то не превращается целиком в кванты света, а обязательно остается еще и позитрон? Дело в том, что протон электрически заряжен, а электрический заряд не может исчезнуть — это строго сохраняющаяся величина, определяющая электрическое поле на большом от него расстоянии. Поэтому при распаде протона обязательно должна возникнуть положительно заряженная частица, наследующая его электрический заряд. Позитрон и является наилегчайшей положительно заряженной частицей.

Теперь читатель уже, наверное, сам может сделать вывод, что позитроны (так же, как и электроны) должны быть стабильны, они никогда не распадутся, ибо более легких заряженных частиц не существует, а электрический заряд исчезнуть не может.