Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Эткинз (Эткинс) Питер

О прошлом сказано много, а как насчет будущего? Я уделю внимание нашему предположительно бесконечному будущему в меньшей степени, чем нашему, по-видимому, конечному прошлому. По общему согласию будущее у нас есть, довольно длинное будущее, если мы готовы туда идти. В качестве исходной точки я возьму предположение, что Вселенная не является замкнутой, поэтому в будущем не ожидается схлопывания: Вселенная бесконечна сегодня, и ее масштаб будет увеличиваться всегда. Это, по-видимому, общепринятая среди космологов точка зрения. Всегда существует возможность, что они не правы, в этом случае Вселенная сегодня конечна и закончится Большим Хлопком, возможно, через несколько триллионов лет.

Вселенная, похоже, не только будет всегда расширяться, но существуют накапливающиеся свидетельства того, что ее расширение ускоряется. Это открытие потрясло мир космологии, поскольку его следствия для Вселенной фундаментальны. Нам следует вспомнить, что Хаббл использовал цефеиды для определения расстояния до галактик. Альтернативным подходом является использование в качестве стандартного светильника сверхновой типа Iа. Сверхновая типа Iа образуется, когда белый карлик, звезда с массой, приблизительно равной массе Солнца, но размером с Землю, в тесной двойной системе обрастает веществом, получаемым от соседа, в количестве, достаточном для запуска разгоняющейся ядерной реакции. В отличие от сверхновых типа II (коллапс ядра), которые мы обсуждали ранее, сверхновые типа Iа в высокой степени однородны по интенсивности. Поэтому, так же как переменные цефеиды, они действуют как стандартные светильники, и мы можем использовать их воспринимаемые интенсивности, чтобы судить о расстоянии до них. Их преимущество состоит в том, что сверхновые намного ярче цефеид, поэтому их можно использовать для изучения гораздо более удаленных объектов.

В 1998 г. было обнаружено, что количество удаленных сверхновых типа Iа оказывается меньше, чем было бы, если бы расширение Вселенной замедлялось или даже просто продолжалось с постоянной скоростью. Если это свидетельство подтверждается, то должен существовать вклад в энергию, приписываемую вакууму, похожий, скорее, на существовавший в эру раздувания, но сегодня гораздо меньший по величине. Этот вклад, называемый космологической постоянной, впервые ввел Эйнштейн, чтобы уравновесить гравитационное тяготение и остановить сжатие Вселенной, а затем, когда узнал о результатах Хаббла, отказался от него, как от «своего величайшего просчета». Теперь становится ясно, что признание Эйнштейном «своего величайшего просчета», оказывается было даже более великим просчетом. Таинственная энергия, ответственная за это ускорение, называется темной энергией, или, с большей долей воображения, иронически вторя Аристотелю, квинтэссенцией. Один из возможных сценариев, вытекающих из неравенства космологической постоянной нулю, состоит в том, что новая эра раздувания уже началась и что ускорение расширения Вселенной будет должным образом — около миллиона триллионов триллионов лет (10 30лет), или что-то в этом роде — возрастать до невероятных размеров. Если это так, нам придется испытать внезапное погружение в почти абсолютное одиночество, когда в поле зрения останутся лишь исчезающие вдали остатки нашей Галактики с Андромедой. Я буду считать, что эта фаза экспоненциально быстрого расширения не настанет раньше, чем смогут произойти другие события, но гарантии, без сомнения, нет.

Солнце исчезнет довольно скоро, примерно через 10 миллиардов лет. Оно распухнет и станет Красным Гигантом с радиусом, далеко перевалившим за орбиту Земли, поэтому с простейшей точки зрения на предмет мы можем ожидать, что Земля прямо на орбите превратится в золу. Земля испытает торможение, когда ее швырнет в приблизившееся к ней очень разжиженное солнечное вещество, и будет снижаться по спирали пятьдесят лет до своей смерти в недрах Солнца. Все, что останется от наших достижений, будет легким загрязнением Солнца, мы просто станем еще одним вкладом в загрязнение среды. Я сказал «с простейшей точки зрения». Существует возможность, что в процессе раздувания в Красный Гигант, становясь в сотни раз ярче, чем теперь, Солнце выбросит в пространство много вещества и станет поэтому менее массивным. В результате уменьшения гравитационного притяжения планет к похудевшему Солнцу, земная орбита расширится и может уйти так далеко, что мы избежим испепеления; Венера, наша более близкая к Солнцу соседка, возможно, спасется тоже. Солнце тем временем останется белым карликом, с массой около половины нынешней. Более крупные звезды, которые живут меньше, чем маленькие, тоже окончат жизнь драматически, образовав либо нейтронные звезды, либо черные дыры.

Галактики не могут жить дольше, чем их звезды, так же как человеческие сообщества не переживают входящих в них людей. Основываясь на динамике формирования и эволюции звезд и способе, которым они переправляют вещество обратно в свои галактики, можно заключить, что эра формирования звезд, возможно, придет к концу примерно через сто триллионов лет (10 14лет). Задолго до этого, примерно через 6 миллиардов лет, случится небольшая локальная неприятность, когда Андромеда врежется в Млечный Путь или, по крайней мере, оставит по краю царапину, однако в космическом масштабе это событие не будет иметь большой значимости. Когда прекращается формирование звезд, можно ожидать, что галактики состоят теперь из смеси почти равных долей белых карликов и коричневых карликов(холодных неудачливых звезд, недостаточно массивных, чтобы зажечься; их массы должны быть меньше восьми масс Юпитера), с небольшой кучкой черных дыр. На самом деле, очень медленное формирование звезд может продолжаться, так как эти коричневые карлики сжимаются, сливаются и становятся достаточно массивными, чтобы зажечься. Белые карлики также будут сжиматься и объединяться в более крупные карлики. Черные дыры тоже будут обрастать звездами, и примерно через сто триллионов триллионов лет (10 26лет) черные дыры, по предположению находящиеся в центре галактик, будут жадно поглощать свои звезды. Эти огромные черные дыры с массами около 10 миллиардов Солнц, будут проплывать по Вселенной как акулы, поедая кильку одиноких звезд, которые отстали от своих галактик в предыдущие эры. Если эти звезды являются белыми карликами, их ядерные реакции будут продолжаться долго, но они будут тускло светиться излучением протонов радиоактивного распада с временами жизни порядка 10 35лет. Интенсивность излучения будет такой низкой, что вам придется быть очень внимательными, чтобы заметить их: типичный белый карлик, работающий на топливе протонов распада, имеет светимость 400-ваттной лампочки.

Черные дыры умирают. Излучение Хоукинга, предсказанное космологом Стивеном Хоукингом в 1974 г., можно представить себе следующим образом. Вакуум (а мы научились задавать себе вопрос, что мы имеем в виду под этим словом) является бурлящей пеной частиц, вступающих в мимолетное существование. Если мы представим себе пару из частицы и античастицы, появившуюся на горизонте черной дыры, поверхности, окружающей примыкающую к дыре область пространства, которую ничто не может покинуть, то может оказаться, что одна частица образуется внутри горизонта, а ее партнер снаружи от него (рис. 8.14). В результате одна частица захватывается, а ее партнер улетает. Улетающая частица уносит энергию из области дыры, так что масса дыры уменьшается. Это очень медленный процесс. Для черной дыры с массой галактики можно ожидать, что он займет 10 98лет. Поэтому мы можем заключить, что примерно через 10 100лет Вселенная будет состоять из электромагнитного излучения, электронов и позитронов. В свою очередь, электроны и позитроны встретятся, аннигилируют и превратятся в электромагнитное излучение. Длины волны излучения во Вселенной будут растягиваться по мере того, как Вселенная продолжает расширяться, также как сияние Большого Взрыва растянулось в микроволновое фоновое излучение космоса.