Какими процессами будет определяться дальнейшая судьба вселенной. Геометрия и конечная судьба Вселенной
Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.
Что мы знаем о Вселенной?
Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.
Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.
В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.
Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.
Космологические эпохи Вселенной
В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:
Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:
- Если со временем расширение Вселенной замедлится, а после — обернется в сжатие, то конечным этапом ее жизни станет Большое сжатие. В результате чего все вещество коллапсирует и вернется в изначальное свое состояние – сингулярность.
- Иной сценарий — средняя плотность вещества Вселенной точно определена и является таковой, что расширение постепенно замедляется.
- Наиболее вероятная, в силу современных результатов наблюдений, модель. Подразумевает равномерное расширение Вселенной, по инерции.
- Стремительный рост скорости расширения Вселенной, который приведет наш мир к так называемому .
Бу́дущее Вселе́нной - вопрос, рассматриваемый в рамках физической космологии . Различными научными теориями предсказано множество возможных вариантов будущего, среди которых есть мнения как об уничтожении, так и о бесконечной жизни Вселенной.
После того как теория о создании Вселенной посредством Большого взрыва и её последующем быстром расширении была принята большинством учёных, будущее Вселенной стало вопросом космологии, рассматриваемым с разных точек зрения в зависимости от физических свойств Вселенной: её массы и энергии, средней плотности и скорости расширения.
Сценарии дальнейшей эволюции
Вселенная и в наши дни продолжает свою эволюцию, так как эволюционируют её части. Время этой эволюции для каждого типа объектов разнится более, чем на порядок. И когда жизнь объектов одного типа заканчивается, то у других всё только начинается. Это позволяет разбить эволюцию Вселенной на эпохи . Однако конечный вид эволюционной цепи зависит от скорости и ускорения расширения: при равномерной или почти равномерной скорости расширения будут пройдены все этапы эволюции и будут исчерпаны все запасы энергии. Этот вариант развития называется тепловой смертью.
Если скорость будет всё нарастать, то, начиная с определённого момента, сила, расширяющая Вселенную, сначала превысит гравитационные силы , удерживающие галактики в скоплениях. За ними распадутся галактики и звёздные скопления . И, наконец, последними распадутся наиболее тесно связанные звёздные системы . Спустя некоторое время электромагнитные силы не смогут удерживать от распада планеты и более мелкие объекты. Мир вновь будет существовать в виде отдельных атомов . На следующем этапе распадутся и отдельные атомы. Что последует за этим, точно сказать невозможно: на этом этапе перестаёт работать современная физика.
Вышеописанный сценарий - это сценарий Большого разрыва .
Существует и противоположный сценарий - Большое сжатие . Если расширение Вселенной замедляется, то в будущем оно прекратится и начнётся сжатие. Эволюция и облик Вселенной будут определяться космологическими эпохами до того момента, пока её радиус не станет в пять раз меньше современного. Тогда все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также будет происходить рождение звёзд, будут вспыхивать сверхновые и, возможно, будет развиваться биологическая жизнь. Всему этому придёт конец, когда Вселенная сожмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше, чем сейчас; в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику. Температура реликтового фона достигнет 274 К, и на планетах земного типа начнёт таять лёд. Дальнейшее сжатие приведёт к тому, что излучение реликтового фона затмит даже излучения центральных светил в планетных системах, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся или будут разорваны на куски сами звёзды и планеты. Состояние Вселенной будет похоже на то, что было в первые моменты её зарождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны , начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки , происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва, перестают работать известные нам законы физики , и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно .
Космологические эпохи
Введем понятие космологической декады (η) как десятичный показатель степени возраста Вселенной в годах :
τ = 10 η {\displaystyle \tau =10^{\eta }} летЭпоха звёзд (6<η<14)
Нынешняя эпоха, эпоха активного рождения звёзд, закончится ровно в тот момент, когда галактики исчерпают все запасы межзвёздного газа; в это же время закончат свой путь и маломассивные звёзды - красные карлики , - полностью исчерпав свои источники горения.
Гораздо раньше потухнет Солнце. Но сначала оно превратится в красного гиганта , поглотив Меркурий и, вероятно, Венеру. Земля же, если не разделит их судьбу, раскалится настолько, что может быть похожа на нынешнюю планету COROT-7b и представлять собой сгусток лавы на дневной стороне.
Эпоха распада (15<η<39)
Если в предыдущей стадии основные объекты Вселенной - звёзды, подобные нашему Солнцу , то в эпоху распада - белые и коричневые карлики , и совсем немного нейтронных звёзд и чёрных дыр . Обычных звёзд нет вообще, они все дошли до конечного этапа своей эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры.
Если в прошлой стадии горение водорода было самым распространённым процессом, то в эту эпоху его место в коричневых карликах, да и идет оно гораздо медленнее. Ныне главенствуют процессы аннигиляции тёмной материи и распад протонов.
Галактики также сильно отличаются от нынешних: все звёзды уже неоднократно сталкивались друг с другом. Да и размер галактик значительно больше: все галактики, входящие в состав локального скопления, слились в одну.
Эпоха чёрных дыр (40<η<100)
На этом этапе фактически всё вещество представляет собой море элементарных частиц. И лишь в некоторых уголках Вселенной продолжают жить нейтронные звёзды. На первый план выходят чёрные дыры.
За предыдущие декады они аккрецировали на себя вещество. В эту эпоху они только излучают. Основных механизмов тут два: столкновение двух чёрных дыр и последующее слияние высвобождает значительную гравитационную энергию, образуются гравитационные волны. Вторым механизмом является излучение Грибова-Хокинга : благодаря своей квантовой природе, некоторым фотонам удаётся пробираться за горизонт событий. Вместе с фотоном чёрная дыра теряет и массу, а потеря массы ведет к ещё большему потоку фотонов. В какой-то момент гравитация больше не может удерживать кванты света под горизонтом событий, и чёрная дыра взрывается, выкидывая последние остатки фотонов .
Однако возможен и другой сценарий. Чёрные дыры могут образовывать свои скопления и сверхскопления, и точно также они будут сливаться. В итоге образуется гигантская чёрная дыра, которая будет жить фактически вечно. Возможно, под действием гравитации она разогреется до Планковской температуры и достигнет Планковской плотности и станет причиной очередного Большого взрыва , дав начало новой Вселенной.
Эпоха вечной тьмы (η>101)
Это время уже без каких-либо источников энергии. Сохранились только остаточные продукты всех процессов, происходящих в прошлых декадах: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны, позитроны и кварки. Температура приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позитрония , долгосрочная судьба их - полная аннигиляция .
См. также
Примечания
Литература
- Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М.,1975.
- [] (2010). “Could Time End?” . Scientific American . 303 (3): 84-91. Bibcode :2010SciAm.303c..84M . DOI :10.1038/scientificamerican0910-84 . PMID . Проверьте параметр |author-last1= (
|
Один из важнейших фактов, надежно установленных астрофизикой, сам факт эволюции Вселенной, ее направленное
развитие вместо рисовавшихся ранее вечно повторяющихся процессов на неизменной в среднем "сцене". Вселенная
расширяется, ее самые крупные структурные единицы - скопления галактик - удаляются друг от друга, и средняя
плотность вещества уменьшается. Около 15 миллиардов лет назад эта плотность была необычайно велика, не было
отдельных небесных тел, и вся материя представляла собой быстро расширяющуюся очень горячую плазму.
Теоретическая астрофизика, воссоздала картину первых минут после начала расширения Вселенной, когда в Плазме при температуре миллиард градусов происходили процессы синтеза легких химических элементов. То, что картина воссоздана точно, сейчас уже не вызывает сомнений, один из неотвратимых аргументов "за" - наблюдаемое сейчас соотношение между количеством гелия и водорода. Успехи физики элементарных частиц позволяют заглянуть в еще более горячее прошлое, когда температуры достигали 10 28 К, а время от начала расширения составляло 10 -35 секунды. Мы изучаем прошлое, чтобы лучше понять настоящее и будущее, а близкое и отдаленное будущее человечества, будущее разума во многом зависит от будущего природы, от судеб Земли, Солнца, Галактики, Вселенной. |
Прежде всего, конечно, возникает вопрос: неограниченно ли будет продолжаться расширение Вселенной? Ответ в принципе прост: если плотность материи во Вселенной достаточно велика, то силы тяготения в итоге остановят ее расширение, и оно сменится сжатием. Если плотность мала, то сил тяготения недостаточно, чтобы остановить расширение. Астрофизические наблюдения показывают, что средняя плотность видимого вещества во Вселенной примерно в 30 раз меньше критического значения (около 10 -29 г/см3 при современной скорости расширения), отделяющего один вариант будущего от другого.
Предположим сначала первый вариант - Вселенная расширяется неограниченно. Какие же процессы произойдут в этой неограниченно расширяющейся Вселенной? Первый из таких процессов сейчас ни у кого не вызывает сомнений - звезды погаснут. Солнце закончит свою активную эволюцию через несколько миллиардов лет и превратится в белый карлик размером с Землю, который будет постепенно остывать (см. цветную вкладку). Звезды массивнее Солнца проживут еще меньше п в зависимости от массы в конце концов превратятся либо в нейтронные звезды с поперечником всего в десятки километров, либо в черные дыры - объекты со столь сильным гравитационным полем, что оно не выпускает даже свет. Наконец, возможен катастрофический взрыв в конце "жизненного пути" звезды с полным ее разрушением. Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше, но и они рано или поздно превращаются в остывшие карлики. В наше время возникают и новые звезды из межзвездной среды (по мнению академика В. А. Амбарцумяна, звезды возникают из сверхплотных тел). Настанет время, когда необходимые запасы ядерной энергии и вещества будут исчерпаны, новые звезды рождаться не будут, а старые превратятся в холодные тела или черные дыры. Звездная эра эволюции Вселенной закончится через 10 14 лет. Этот срок огромен, он в 10 тысяч раз больше времени, прошедшего от начала расширения Вселенной до наших дней.
А теперь о судьбах галактик. Звездные системы - галактики - состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах галактик, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры, о чем свидетельствуют бурные процессы вокруг них, наблюдаемые астрофизиками. Для будущего галактик существенны очень редкие в наше время события, когда какая-либо звезда приобретает большую скорость в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами и превращается в межгалактического странника. Звезды постепенно будут покидать галактику, а ее центральная часть будет понемногу сжиматься. Конечный этап - это сверхмассивная черная дыра, поглотившая остатки звезд центральной части галактики, и рассеивание примерно 90 процентов всех звезд в пространстве. Процесс разрушения галактик закончится примерно через 10 19 лет, все звезды к этому времени давно погаснут и потеряют право именоваться звездами.
Для дальнейших процессов определяющей является предсказываемая современной физикой нестабильность ядерного вещества. Имеется в виду, что протон хотя и очень долго живущая, но все же нестабильная частица. Среднее время его жизни оценивается примерно в 10 32 лет. Конечный продукт распада протона - один позитрон, излучение в виде фотонов, нейтрино и, возможно, одна или несколько электронно-по-зитронных пар. Хотя распад протона еще не наблюдался непосредственно, мало кто из физиков сомневается в неизбежности такого процесса. Нейтроны тоже нестабильны - в составе ядра они распадаются подобно протону, а в свободном состоянии в среднем за 15 минут распадаются на протон, электрон и антинейтрино.
Итак, примерно через 10 32 лет (обозначим это время как T r) ядерное вещество полностью распадется. Нораспад ядерного вещества уже задолго до этого срока начнет играть важную роль в эволюции Вселенной. Позитроны, возникающие при распаде нуклонов (это общее название протонов и нейтронов), аннигилируют с электронами, превращаясь в фотоны, которые вместе с фотонами, прямо возникающими при распаде нуклона, нагревают вещество. Только нейтрино свободно покидают звезду и уносят около 30 процентов всей энергии распада. Процесс распада будет поддерживать температуру умерших звезд и планет на уровне хоть и низком, но все же заметно отличном от абсолютного нуля. Так, белые карлики, остыв за 10 17 лет до температуры 5 К, будут потом сохранять эту температуру из-за выделения энергии при распаде вещества внутри них. Нейтронные звезды остывают за 10 19 лет до температуры около 100 К, после чего распад вещества в них будет поддерживать эту температуру (см. нижний график на цветной вкладке; изменение массы М, радиуса R и температуры Т умерших звезд в ходе распада ядерного вещества показано в сравнении с их начальными параметрами М 0 , R 0 и Т 0 , нейтронные звезды после уменьшения массы М примерно в 10 раз, то есть при М/М 0 ~0,1, взрываются).
Спустя 10 32 лет (T r) все ядерное вещество полностью распадется, звезды и планеты превратятся в фотоны и нейтрино.
Несколько иная судьба у рассеянного в пространстве газа, который останется после разрушения галактик (по массе он может составить около процента всего вещества Вселенной). Ядерное вещество этого газа тоже, разумеется, распадется через тр лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами - из-за крайней разреженности газа вероятность встречи частиц чрезвычайно мала, и в результате образуется разреженная электронно-позитронная плазма.
К этому времени (T r) останутся еще черные дыры, возникшие из массивных звезд после их угасания, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик, о их судьбе мы скажем немного позже.
Что же будет происходить со Вселенной после распада ядерного вещества? В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электронно-пози-Тронная плазма и черные дыры. Основная часть массы окажется сосредоточенной в фотонах и нейтрино - начнется эра излучения.
С расширением Вселенной плотность массы излучения (фотонов и нейтрино) падает пропорционально четвертой степени размера (например, среднего расстояния между частицами), так как меняется и плотность числа частиц обратно пропорционально объему (куб размера) и энергия каждого кванта (а значит, и его масса) обратно пропорционально этому размеру. В отличие от излучения средняя плотность материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр убывает только из-за уменьшения их концентрации, то есть пропорционально кубу размера. Значит, плотность этих видов материи убывает медленнее, чем плотность излучения. Поэтому через время порядка 10 T r плотность материи уже будет определяться главным образом массой, заключенной в черных дырах (ее гораздо больше, чем в электронно-позитронной плазме). На смену эре излучения придет эра черных дыр.
Но и черные дыры не вечны. В поле тяготения вблизи черной дыры происходит рождение частиц, причем у черных дыр с массой порядка звездной и больше возникают кванты излучения. Такой процесс ведет к уменьшению массы черной дыры, она постепенно превращается в излучение - в фотоны, нейтрино), гравитоны. Но процесс этот чрезвычайно медленный, скажем, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 10 69 лет, а сверхмассивная черная дыра, масса которой еще в миллиард раз больше, - за 10 69 лет. И все же постепенно все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе во Вселенной - снова наступит эра излучения. Однако вследствие расширения Вселенной плотность излучения, как уже говорилось, падает быстрее плотности электронно-позитронной плазмы, и через 10100 лет станет доминирующей именно эта плазма - кроме нее, во Вселенной не останется практически ничего.
На первый взгляд картина эволюции Вселенной в отдаленном будущем выглядит весьма пессимистически. Это картина постепенного распада, деградации, рассеяния.
К возрасту Вселенной 10 100 лет в мире останутся практически только электроны и позитроны, рассеянные в пространстве с ужасающе ничтожной плотностью: одна частица приходится на объем, равный 10 185 объемам всей видимой сегодня Вселенной. Означает ли это, что в будущем замрут все процессы, не будет происходить активных движений физических форм материи, невозможно будет существование каких-либо сложных систем, а тем более разума в какой бы то ни было форме? Нет, такой вывод был бы неверен. Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедлены, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была, например, 10 28 К и происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10 -35 с, а пространственные масштабы были порядка 10 25 см. В подобных масштабах сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное, и чрезвычайно растянутое в пространстве По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь правда, в непривычных для нас формах и "пульс жизни будет биться все медленнее, но никогда не остановится".
Добавим к этому следующее: пока у нас речь шла о процессах, которые вытекают из надежно установленных физических законов, однако в будущем возникнут физические условия, недоступные нам в эксперименте (сверхнизкие температуры, малые плотности и т. д.), и вполне возможно проявление сил, возникновение процессов, совершенно нам пока неизвестных. А эти силы и процессы могут в корне изменить ситуацию.
Вот один из таких возможных процессов - распад вакуума, его превращение в расширяющейся Вселенной в реальное вещество. В прошлом, в упоминавшуюся уже эпоху 10 -35 секунды после начала расширения, - вакуум, вероятно, уже распадался, порождая частицы и античастицы больших энергий. Эта энергия соответствовала температуре 10 28 К, а плотность вещества составляла 10 75 г/см3. В современном вакууме (в том, что в просторечии называется пустотой) тоже, возможно, заключена некоторая плотность энергии. Но она если и есть, то очень мала и соответствует плотности массы не более чем 10 -28 г/см3, а может быть даже существенно меньше. Обнаружить такую плотность даже в астрономических наблюдениях крайне трудно. Теория полагает вероятным, что плотность массы вакуума в далеком будущем скачком перейдет в реальные частицы и античастицы, давая начало новым физическим процессам. Родившееся при этом вещество будет, конечно, разреженным, но все же несравненно более плотным, чем оставшееся к тому времени рассеянное вследствие расширения Вселенной "наше" вещество. Подобный "фазовый переход" вакуума может быть чрезвычайно существенным для судеб Вселенной. Так, в принципе этот переход может остановить расширение Вселенной и сменить его сжатием. Ясно, что при этом вся нарисованная нами картина будущего Вселенной изменится в корне.
И еще одно замечание. Речь шла о будущем Вселенной с учетом того, что нейтрино всех сортов представляют собой излучение,- предполагалось, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю. В современной физике считается весьма вероятным, что масса покоя нейтрино хоть и очень мала, но не нулевая.
Влияния этого факта на судьбы Вселенной могут быть двоякого рода. Если масса покоя нейтрино очень мала, скажем, в сотни тысяч раз меньше массы электрона, то тяготение, создаваемое этой частицей в масштабах Вселенной, тоже очень мало и не оказывает никакого действия на темпы расширения. Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не как плотность массы фотонов (которая, как мы помним, обратно пропорциональна четвертой степени размера), а как плотность массы обычных частиц (обратно пропорционально кубу размера) и в электронно-позитронной плазме будет постоянная малая примесь нейтрино (и антинейтрино), имеющих массу покоя. Если же окажется, что масса покоя нейтрино близка к предсказываемому верхнему возможному пределу (примерно 0,00005 массы электрона), то суммарная масса всех этих частиц во Вселенной получится чрезвычайно большой, а средняя плотность вещества превысит критическую (10 -29 г/см3), и в будущем тяготение нейтрино остановит расширение Вселенной. Это может случиться гораздо раньше, чем распадется все ядерное вещество, и даже раньше, чем погаснут. все звезды. Тогда в будущем Вселенную снова ожидает сверхгорячая фаза со сверхбурными физическими процессами.
Как видите, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным. Но, конечно же, серьезные изменения во Вселенной (по сравнению с нынешним ее состоянием) во всех случаях могут начаться очень нескоро, не только в житейских, но и астрономических масштабах, как минимум через десятки, а может быть, тысячи миллиардов лет. Это во много раз больше нынешнего возраста видимой нами Вселенной, которой никак не больше 10 - 15 миллиардов лет от начала расширения.
Гипотеза о том, что рано или поздно Вселенная перестанет «разбегаться», и галактики вновь полетят навстречу друг другу, кажется, нашла свое подтверждение. В таком случае, у нас осталось не слишком много времени.
Существует точка зрения, в соответствии с которой, с самого момента Большого Взрыва Вселенная неуклонно расширяется, и процесс этот будет продолжаться вечно. В соответствии с вычислениями сторонников этой гипотезы, уже через 150 миллиардов лет Мленый путь уйдет настолько далеко от других звездных скоплений, что станет практически изолированным островом в океане вечной темноты. Конечно, землянам по этому поводу беспокоиться не стоит (все равно так долго человечество в его нынешнем виде не протянет), но смутное чувство обиды все-таки тревожило души ученых.
Тем не менее, результаты двух исследований, проведенных учеными из Стэнфордского университета, похоже, опровергают гипотезу вечно расширяющейся Вселенной. По мнению участников исследования, очень скоро центробежные процессы сменятся центростремительными, и через каких-то 10-20 миллиардов лет потомки наших потомков станут свидетелями Большого Сжатия, то есть Большого разрыва наоборот, когда весь мир начнет сжиматься в «горошину» размером меньше протона.
Косвенным основанием для этой гипотезы стали рассуждения Эйнштейна, предложившего существование в Космосе некой «невидимой энергии», противостоящей гравитационным силам космических тел и поддерживающей, таким образом, статичность Вселенной.
После того, как в 20-х годах прошлого века астроном Хаббл открыл так называемое «красное смещение» и доказал, что Вселенная расширяется, Эйнштейн исключил «космологическую константу» из своих уравнений. Однако история, возможно подтвердила его интуитивную догадку.
В 1998 году две независимые группы исследователей, занимавшиеся изучением сверхновых звезд, с удивлением обнаружили, что скорость «убегания» сверхновых гораздо выше расчетной. Мало того, что галактики действительно разбегаются, так и их ускорение постоянно растет.
Для того, чтобы объяснить этот феномен, астрономам пришлось вернуться к эйнштейновской «невидимой энергии», которую назвали «темной энергией».
Эксперименты, связанные с исследованием сверхновых, показали, что «темная энергия» - не такая уж и редкая штука: предположительно, наша Вселенная лишь на 30% состоит из обычной материи, а оставшаяся часть приходится на долю «темной энергии».
Распространенная точка зрения предполагала, что общая плотность «темной энергии» должна быть больше нуля. Вполне логичный взгляд на вещи, не правда ли? Тем не менее, бытовой здравый смысл не вполне применим к миру квантовой физики, и в последнее время ученые пришли к убеждению, что со временем «темная энергия» может изменить свой знак с положительного на отрицательный.
То есть, Если сейчас «положительная темная энергия» стимулирует расширение Вселенной, то «негативная темная энергия» начнет играть на одном поле с гравитационными силами, таким образом, спровоцирует стремительное возврашение галактик в точку, откуда и начался Большой Взрыв. Самое интересное состоит в том, что процесс сжатия должен начаться практически «вот-вот», поскольку человечество, если верить выкладкам Андрея Линде, (в прошлом выпускник МГУ, ныне – профессор физики в Стэнфорде) и его жены Ренаты Каллош, ставших авторами гипотезы, возникло не в начале, а как раз в середине жизненного цикла Вселенной.
Впрочем, расстраиваться не из-за чего: у нас в запасе еще как минимум десять миллиардов лет, чтобы тщательно обдумать планы на будущее и подобрать себе домик понадежнее. Тем более, если верить господину Линде, наша Вселенная – лишь один из многих пузырьков, и «наша часть Вселенной может погибнуть, но в целом Вселенная бессмертна – она просто изменяет свои свойства».
Однако Роберт Кодвелл, сотрудник Дартмурского колледжа в Нью-Хемпшире думает иначе.
Основываясь на последних научных данных и собственных выкладках, он выдвигает новую теорию. Согласно ей, нашу Вселенную ждет яркое будущее. Чрезвычайно яркое.
Теория Кодвелла называется Теория Большого Разрыва.
Главная мысль очень проста: «Темная энергия» со временем будет становиться все сильнее и, в конце концов, разорвет все, что есть в мире «обычной» материи цельного.
Кодвелл и его коллеги по Калифорнийскому технологическому институту в Пасадене даже высчитали, как будет происходить этот всеобщий «конец света».
Результаты их удивили: получалось, что в результате, приблизительно через 22 миллиарда лет с настоящего момента, «темная энергия» разорвет даже атомные ядра – а это, как известно, сопровождается мощнейшим выбросом энергии – «обычной» энергии. Давайте на секунду представим себе, что каждый атом во Вселенной разорвался…
Перед этим, конечно, произойдет много чего другого: например, нашей Галактике («Млечному Пути») предстоит почить в бозе за 60 миллионов лет до «конца всео». За три месяца до апокалипсиса потеряет целостность Солнечная Система. За полчаса до Большого разрыва взорвется Земля.
Распад атомных ядер произойдет за 10-19 секунд до Взрыва…
«Когда призрачная энергия станет достаточно сильна, гравитационная нестабильность перестанет действовать, и Вселенная станет однородной. В итоге отдельные частицы окажутся изолированными друг от друга…» - пишет Кодвелл.
«Если кто-то из гуманоидов выживет, - говорит другой сторонник идеи Большого Разрыва, британский астроном Мартин Риз, - они смогут видеть все, кроме последней миллисекунды. Именно в этот момент космическое отталкивание превысит эластичность наших тел и разорвет нас на части. Это выглядит маловероятно, но доказать, что это не так, просто невозможно».
В связи с будущей судьбой Вселенной астрономы возлагают большие надежды на зонд SNAP. Этот зонд произведет детальные замеры тысяч сверхновых с тем, чтобы выяснить, с какой именно скоростью они разлетаются прочь, и, если повезет, узнать, как себя ведет «темная энергия».
Как пишет New Scientist, большинство физиков едва ли поддерживают теорию Кодвелла. Слишком много новых теоретических вопросов она поднимает – многовато «головной боли».
Например, теория гравитации Эйнштейна не предрекает существование своего рода прорех в пространстве-времени. Обычно они возникают и исчезают настолько быстро, что обнаружить их оказывается невозможным.
Однако, в будущем сила «темной», или «призрачной», энергии окажется достаточно велика, чтоб поддерживать их в течение длительного времени, а это может означать возможность путешествий во времени и всех тех теорий, которые физики считают крайне неудобными.
В отличие от большинства фантастов.
Судьба Вселенной
«Судьба существа зависит от судьбы Вселенной
Поэтому разумное существо должно
проникнуться историей Вселенной
Необходима такая высшая точка зрения»
К.Э. Циолковский.
Предисловие
Космологические модели приводят к выводу, что судьба расширяющейся Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего её вещества и от значения постоянной Хаббла. Если средняя плотность равна или ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же плотность окажется выше критической, то расширение рано или поздно остановится и сменится сжатием. В этом случае Вселенная сузится до размеров, которые у неё были предположительно при возникновении, уступив место явлению, названному Больши́м сжатием. Чему же равна эта таинственная критическая плотность мира? Оказалось, что значение её определяется только современным значением постоянной Хаббла и составляет ничтожную величину - около 10 -29 г/см 3 , или 10 15 атомных единиц массы в каждом кубическом сантиметре. При такой плотности грамм вещества содержится в ку́бе со стороной около 40 тыс. километров! Определить точно постоянную Хаббла непросто. Галактики могут иметь довольно высокие случайные скорости (до 1000-2000 км/с), никак не связанные с космологическим расширением. Чтобы вычислить постоянную Хаббла, приходится измерять красные смещения не близких, а достаточно далёких галактик, расстояния до которых установить очень трудно. По современным оценкам, наиболее вероятное значение постоянной Хаббла лежит в интервале 60-80 км/(с·Мпк) . Определить из наблюдений истинную среднюю плотность материи Вселенной, оказывается, ещё сложнее, чем найти постоянную Хаббла и вычислить критическую плотность. Из астрономических наблюдений следует, что средняя плотность всего видимого вещества - звёзд, пы́ли и межзвёздного газа - не превышает 10% от критической плотности. Однако помимо наблюдаемого вещества во Вселенной, безусловно, присутствует и загадочное невидимое, или тёмное вещество, ничем не проявляющее себя, кроме гравитационного поля. Измерить плотность тёмного вещества - задача чрезвычайно сложная. Многие теоретические соображения заставляют думать, что плотность Вселенной с учётом тёмного вещества должна быть равна критической или немного ниже её. Этот важнейший космологический вопрос до сих пор остаётся открытым.
Основные модели Вселенной
Итак, перечислим основные модели Вселенной:
Модель де Ситтера: Модель расширяющейся Вселенной, предложенная в 1917 году, в которой не существует вещества или излучения. Эта нереалистичная гипотеза имела, тем не менее, исторически важное значение, поскольку в ней впервые выдвигалась идея о расширяющейся, а не статичной Вселенной.
Модель Леме́тра: Модель вселенной, которая начинается с Большого взрыва, сменяющегося затем статической фазой и последующим бесконечным расширением. Модель названа по имени Дж. Леме́тра (1894-1966), который в 1927 году опубликовал работу по расширению Вселенной. Он первым предложил рассматривать процесс расширения Вселенной от состояния "первичного атома", в то время как Эйнштейн всё ещё был сторонником теории статической Вселенной.
Модель Милна: Модель расширяющейся Вселенной без использования общей теории относительности, предложенная в 1948 году Эдвардом Милном (Edward Milne) . Это расширяющаяся, изотропная и однородная Вселенная. не содержащая вещества. Она имеет отрицательную кривизну и неза́мкнута.
Модель Фридмана: Модель Вселенной, которая может коллапси́ровать внутрь себя. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман (Alexander Friedmann, 1888-1925) , анализируя Альберта Эйнштейна, пришёл к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она должна либо расширяться, либо пульсировать. Сначала эта работа (1922 и 1924 гг.) была полностью проигнорирована, но позже на неё обратили внимание в связи́ с моделью Вселенной Леметра. Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика́, чтобы остановить расширение. Этот факт привёл к поиску так называемой недостающей массы. В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.
Модель Эйнштейна-де Ситтера: Самая простая из современных космологических моделей, в которой Вселенная имеет нулевое давление, нулевую кривизну (т.е. плоскую геометрию) и бесконечную протяженность, а её расширение не ограничено в пространстве и во времени. Предложенная в 1932 г., эта модель является частным случаем (при нулевой кривизне) более общей вселенной Фридмана.
Вселенная расширяется
Итак - Вселенная расширяется! К этому выводу пришел американский астроном Эдвин Хаббл, повторивший эксперименты предшественников на существенно более обширном наблюдательном материале. В 1929 году он сообщил, что не только установил систематическое красное смещение спектральных линий галактик, но и определил закон, по которому скорости удаления галактик от нас возрастают по мере увеличения расстояния. Тем самым было доказано, что в мире галактик существует свой Гольфстрим, который разносит их по космическому пространству. Но почему этот факт означает нестационарность Вселенной? Ответ на этот вопрос подразумевает два уровня погружения в суть рассматриваемой проблемы. Первый - наиболее "простой", основывается на современных представлениях о природе тяготения, пространства и времени. Второй - более сложный, затрагивает первопричины нестационарности Вселенной, скорее отвечая на вопрос не столько как, сколько почему вообще Вселенная расширяется. Оба этих уровня принципиально важны для понимания проблемы, уходящей своими корнями к философским воззрениям Аристо́теля, Птолемея, , Лейбница и . Применительно к астрономии предсказания современной физики предельно лаконичны - в масштабах в десятки и сотни мегапарсек лишь одно из известных в природе взаимодействий - гравитационное - может определять характер движения небесных тел в космическом пространстве. Более того, следуя предсказаниям ОТО, можно утверждать, что именно гравитация материи приводит к искривлению пространства и времени, на фоне которого "пробные частички" - галактики движутся по инерции, своими траекториями лишь очерчивая отклонения свойств пространства и времени от свойств ньюто́новского абсолютного пространства. Тот факт, что галактики разбега́ются означает, что изменяются свойства пространственно-временно́го континуума, идет процесс его расширения, проявляющийся в хаббловском потоке галактик. Более того, в подтверждение этого тезиса можно выбрать в качестве меток кривизны и расширения пространства-времени не только галактики, но и их скопления - гигантские ко́мплексы, насчитывающие от нескольких до десятков тысяч галактик. Эти скопления как целое движутся в хаббловском потоке с тем же законом увеличения скорости по мере увеличения расстояния до них - расширение Вселенной проявляет себя одинаковым образом для любых "пробных частиц", независимо от их массы!
