ГЛАВА 5. У ГРАНИЦ ИЗВЕСТНОГО
ПОЧЕМУ ВСЕЛЕННАЯ ТАКАЯ?
Что происходило во Вселенной вблизи самой сингулярности при температурах гораздо выше 10 13
Кельвинов, рассмотренных нами в предыдущих разделах?
Мы уже познакомились раньше с тем общим методом, которым пытаются выяснить, что происходит вблизи самого начала космологического расширения. Для этого находят “следы” тех процессов, которые тогда происходили. Выше говорилось, что ярким “следом” процессов, происходивших в первые секунды после начала расширения, является химический состав дозвездного вещества — наличие 30 процентов гелия, возникшего в ту далекую эпоху. Теперь надо попытаться отыскать по возможности столь же явные “следы” еще более “древних” процессов.
Оказывается, что этими “следами” являются фундаментальные свойства Вселенной. Начнем с перечисления их, а затем посмотрим, следствием каких процессов они являются и как современная наука пытается объяснить возникновение этих загадочных свойств Вселенной. Мы увидим, что объяснение это поистине удивительно.
Первое загадочное свойство — это огромное количество фотонов реликтового излучения по сравнению с числом тяжелых частиц. Вспомним, что отношение этих чисел есть миллиард к единице. Почему такая гигантская разница?
Вторая загадка — почему Вселенная в больших масштабах очень однородна? Однородность, как мы знаем, надежно устанавливается по наблюдениям реликтового излучения, приходящего к нам с разных сторон и имеющего одинаковую интенсивность (не зависящую от направления). Это означает, что в прошлом, в момент, когда плазма превратилась в нейтральный газ и поэтому стала прозрачной и когда вышли реликтовые фотоны, наблюдаемые нами сегодня, точки, далеко разнесенные в пространстве, имели одинаковую температуру. Для той эпохи каждая такая точка лежала тогда вне горизонта видимости, очерченного вокруг другой точки. Поэтому точки были причинно не связаны, не могли за время расширения Вселенной обменяться сигналами. Как же в таком случае у них получились одинаковые температуры, если одна точка не может даже знать, какая температура у другой? Эта проблема получила название “проблемы горизонта”.
Третья загадка — почему сегодня, спустя 10—20 миллиардов лет после начала расширения, плотность материи во Вселенной достаточно близка к критическому значению, а геометрические свойства пространства близки к свойствам плоского пространства? Ведь если в какой-то момент есть отличие плотности вещества от критического значения, то с течением времени отличие это увеличивается. Действительно, равенство плотности критическому значению означает точный баланс скорости расширения и сил тяготения. Если же этот баланс хоть немного нарушен, скажем, в пользу тяготения, то торможение расширения все сильнее будет нарушать баланс с течением времени. Поэтому, если сегодня плотность материи отличается от критической не более чем в несколько раз, то в прошлом тяготение и скорость должны были быть сбалансированы с ювелирной точностью. Можно подсчитать, что спустя секунду после начала расширения баланс мог нарушаться не более чем на одну десятитысячную миллиардной доли процента! Откуда взялась эта ювелирная балансировка?
Наконец, еще одна загадка — почему, несмотря на удивительную однородность Вселенной в очень больших масштабах, в меньших масштабах все же были в прошлом отклонения от однородности, небольшие первичные флуктуации, давшие затем начало галактикам н их системам? Это проблема возникновения первичных флуктуаций, п не каких-либо, а таких, которые в эпоху, близкую к нашей, привели к возникновению отдельных миров.Ключ к решению этих проблем дали успехи физики элементарных частиц. Проследим, как этим ключом отпираются запоры, охраняющие сокровенные тайны. Известны четыре вида физических взаимодействий: сильные (или ядерные), электромагнитные, слабые (обусловливающие, например, радиоактивный распад) и гравитационные. Согласно современным представлениям эти виды взаимодействий проявляются как разные только при сравнительно малых энергиях, а при больших — объединяются в единое взаимодействие. Так, при энергиях порядка 10 2 гигаэлектронвольт (ГэВ), что соответствует температуре 10 15 Кельвинов, объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия. При энергиях около 10 14 ГэВ или температуре 10 27 Кельвинов происходит так называемое “великое объединение”, когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Наконец, при энергиях около 10 19 ГэВ или температуре 10 32 Кельвинов, вероятно, к ним присоединяется и гравитационное взаимодействие (“суперобъединение”). Оставим пока в стороне возможность последнего объединения всех сил и гравитации и рассмотрим, к каким следствиям для космологии ведет теория “великого объединения”. Начнем с первой из перечисленных выше проблем. Читатель, возможно, был несколько удивлен, почему первая проблема считается загадкой. Что тут необыкновенного, если на миллиард реликтовых фотонов приходится одна тяжелая частица? Необычность этого станет очевидной, если мы отправимся в прошлое к температурам 10 13 Кельвинов, когда, как мы знаем, все время рождалось и аннигилировало огромное количество пар частиц и античастиц. Среди них были и электроны и позитроны, были протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Причем рожденных таким образом частиц каждого сорта было примерно столько, сколько реликтовых фотонов. “Кипящий котел”, который мы рассматривали, содержал Примерно одинаковое число частиц всех сортов и их античастиц. Если бы число тяжелых частиц и античастиц (их называют барионами) было в точности одинаково для каждого сорта, то в ходе расширения они бы все проанниги-лировали, превратившись в реликтовые фотоны и нейтрино, и во Вселенной, кроме реликтового излучения и нейтрино, вообще бы ничего не осталось! Не осталось бы вещества, из которого потом формировались звезды и планеты и мы с вами. Но почему-то число частиц и античастиц было не в точности одинаково, но и не сильно отличалось друг от друга. На каждые миллиард пар частиц-античастиц приходилась одна “лишняя” тяжелая частица! Миллиард пар с понижением температуры проаннигилировали, а эта “лишняя” частица осталась. Из таких оставшихся частиц и возник весь окружающий нас сегодня мир — мир звезд, планет, газа. Опять мы видим какую-то странную ситуацию: миллиард пар и одна лишняя частица. Откуда она взялась и почему одна на миллиард? В этом и состоит проблема. До недавнего времени считалось, что если “лишней” частицы не было с самого начала, то она и не может возникнуть ни в каких реакциях. Считалось, что неизменным остается “барионный заряд” — так называют разность числа тяжелых частиц и античастиц. Теория “великого объединения” показала, что это не так, есть реакции, которые нарушают закон сохранения барионного заряда. Но в этих реакциях участвуют сверхтяжелые частицы. Это так называемые сверхтяжелые хиггсовские и калибровочные частицы. Такие сверхтяжелые частицы могут рождаться только при очень больших энергиях, поэтому и реакции с изменением барионного числа могут успешно идти только при очень 'больших энергиях. Для простоты изложения, чтобы показать главную идею, мы будем говорить об одной сверх- . тяжелой частице
— сверхтяжелом Х-бозоне. Масса этой частицы в энергетических 'единицах равна энергии
“великого объединения” — 10 14
ГэВ (в 10 14
раз тяжелее протона), то есть Х-бозоны могут эффективно рождаться при столь больших энергиях, соответствующих температуре 10 27
Кельвинов. Такие температуры были во Вселенной при 10
-34
секунды после начала расширения.
В это время (и при еще более высоких температурах) реакции с изменением барионного числа были столь же интенсивны, как и другие реакции.
Следующим важным обстоятельством является отсутствие симметрии между частицами и античастицами. Это означает, что темпы реакций с частицами и соответствующих реакций с античастицами, вообще говоря, несколько различны.
Теперь мы можем объяснить возникновение в ходе расширения горячей Вселенной одной
“лишней” частицы на миллиард пар частиц-античастиц.
При температурах выше 10 27
Кельвинов во Вселенной была сверхгорячая смесь всех фундаментальных частиц и точно такого же количества их античастиц, находящихся в термодинамическом равновесии. Никакого избытка “лишних” частиц не было. Если бы не было различия между свойствами частиц и античастиц и не было реакций с несохранением барионного числа, то при расширении Вселенной и падении температуры все пары тяжелых частиц и их античастиц проаннигилировали бы (ведь их одинаковое число!) и во Вселенной не осталось бы к нашему времени ни нейтронов, ни протонов — все превратилось бы в легкие частицы. Не было бы в сегодняшней Вселенной обычного вещества.
Но в действительности происходит следующее. Когда температура падает ниже 10 27
Кельвинов, темп всех процессов с Х-бозонами и их античастицами анти-Х оказывается медленнее, чем темп расширения Вселенной. Эти частицы не успевают аннигилировать или распадаться, и их концентрация оказывается “замороженной”. Только позже, когда пройдет достаточно времени, они будут распадаться. Этот процесс и является теперь ключевым для дальнейшего.
Х-бозон, как и его античастица апти-Х, могут распадаться с нарушением барионного заряда, причем Х-ча-стица и Х-античастица распадаются не совсем одинаково. В результате, как показывает расчет, и возникает маленький избыток частиц над античастицами. Расчеты эти еще не очень точны, но они показывают, что число возникающих лишних частиц, вероятно, близко к одной на миллиард пар частиц-античастиц. Частицы и античастицы проаннигилируют в ходе расширения Вселенной, превра-тясь в конце концов в фотоны, которые вместе с имевшимися там фотонами и составят реликтовое излучение (напомним, что во Вселенной остаются также нейтрино), а избыток барионов останется. Вот он-то и является обычным веществом сегодняшней
Вселенной. Ясно, что число фотонов по сравнению с “лишними” частицами будет приблизительно в миллиард раз больше.
Так решается первая проблема.
Обратимся теперь к трем другим. Согласно теории “великого объединения”, во Вселенной при температуре порядка 10 27
Кельвинов и больше было поле (его называют скалярным полем), которое обладало свойствами вакуума, рассмотренными нами в разделе “Гравитация пустоты”. В частности, у этого поля было огромное “отрицательное давление” — натяжение, равное плотности энергии самого поля. Такое поле получило название “ложного вакуума”. Отличие его от истинного вакуума, помимо всего прочего, в том, что соответствующая плотность “ложного вакуума” фантастически огромна — около 10 74
г/см
3
. Мы знаем, что плотности вакуума соответствует космологическая постоянная в уравнениях тяготения Эйнштейна. В ту эпоху такая постоянная (ее можно назвать вслед за “ложным вакуумом” — “ложной постоянной”) также была огромна.
В начале расширения, при временах меньше 10
-34
секунды, температура во Вселенной была выше 10 27
кель-винов. Плотность “ложного вакуума” была 10 74
г/см
3
, но плотность горячих реальных частиц и античастиц обычной материи была еще выше. Поэтому тогда никак не проявлялись гравитационные свойства “ложного вакуума” и расширение Вселенной проходило по обычным законам. В ходе расширения плотность обычной материи уменьшалась и при 10
-34
секунды после начала расширения сравнялась с плотностью “ложного вакуума”. Мы уже видели в разделе “Гравитация пустоты”, насколько необычны гравитационные проявления вакуума. Его гравитация вместо притяжения вызывает отталкивание. Так случилось и в “эпоху 10 34 ” секунды. Гравитационное отталкивание вакуума заставляет мир расширяться ускоренно. Плотность “ложного вакуума” постоянна, она не уменьшается со временем, поэтому ускорение расширения тоже постоянно. Скорость расширения (скорость удаления друг от друга двух произвольных элементов среды) непрерывно нарастает (вместо затухания с течением времени, как это имеет место без гравитации вакуума под действием тяготения обычной материи), и очень быстро все размеры во Вселенной невероятно растягиваются и становятся огромными. Эта стадия ускоренного расширения получила название “раздувающейся” Вселенной. За период с 10 -34 секунды по 10 -32 секунды с начала расширения все размеры во Вселенной увеличились в 10 50 раз? Но состояние “раздувающейся” Вселенной неустойчиво. Температура и плотность обычной материи стремительно уменьшаются при таком расширении. Вселенная становится переохлажденной. Плотность обычной материи становится совершенно пренебрежимой по сравнению с плотностью “ложного вакуума”. В это время становится возможным фазовый переход из состояния “ложного вакуума” с огромной плотностью, в конце концов, в состояние, когда вся плотность массы (и соответствующая плотность энергии) “ложного вакуума” переходит в плотность массы обычной горячей материи, а плотность истинного вакуума равна нулю или очень мала. Это означает, это из энергии, заключенной прежде в “ложном вакууме”, возникает огромное количество частиц и античастиц обычной материи, обладающих большой энергией. Вселенная вновь разогревается до температуры около 10 27 Кельвинов. Деталей этого перехода мы здесь касаться не будем. Отметим только, что разогрев Вселенной происходит спустя, вероятно, 10 32 секунды после начала расширения. За короткое время, с 10- 34 секунды по Ю- 32 секунды, Вселенная невероятно ускоренно “раздувается” из-за гравитационного отталкивания “ложного вакуума”. Так, если без стадии “раздувающейся” Вселенной эти расстояния до Вселенной увеличились бы всего в 10 раз, то при наличии такой стадии продолжительностью с 10 -34 секунды по 10- 32 < секунды мир за то же время расширится в 10 50 раз! После этого начинается расширение согласно законам теории горячей Вселенной, с которой мы уже знакомы. Процессы синтеза гелия и другие процессы, описанные нами, протекают много времени спустя после стадии “раздувающейся” Вселенной (сравните: 1 секунда — 300 секунд для синтеза гелия и 10 -34 —10 -32 секунды для стадии “раздувающейся” Вселенной!) так, как описано в соответствующих разделах. Стадия “раздувающейся” Вселенной сразу решает вторую проблему из перечисленных в начале этого раздела — проблему горизонта. Действительно, возьмем точки, которые вначале, до стадии “раздувания”, лежат очень близко друг к другу внутри общего горизонта видимости для того момента. Между ними возможен обмен сигналами, выравнивание температуры и другие процессы. Затем, в результате стремительного растяжения в ходе “раздувания” точки оказываются разнесенными на гигантские расстояния. В нашу эпоху они лежат на огромных расстояниях, заметно превышающих расстояния до горизонта, если не учитывать стадии “раздувающейся” Вселенной. Поэтому после “раздувания” эти точки действительно не смогут обменяться сигналами, но до “раз-дуваиия” это было возможно. Переход плотности “ложного вакуума” в плотность обычной материи в конце стадии “раздувающейся” Вселенной решает третью проблему. “Антигравитация” “ложного вакуума” заставляет возникающую из него обычную материю расширяться точно со “сбалансированной” скоростью. Можно сказать, что плотность вакуума в точности соответствует критической плотности для той эпохи и после фазового перехода плотность материи, естественно, тоже будет равна критической с огромной точностью. Обратимся теперь к четвертой проблеме — к проблеме возникновения небольших первичных флуктуаций плотности, которые должны были существовать в среде сразу после окончания стадии “раздувающейся” Вселенной. Такие неоднородности должны возникнуть в результате рассматриваемых процессов уже в силу квантовой природы материи. Действительно, распад
“ложного вакуума” в обычную материю можно сравнить с процессом квантового распада радиоактивного вещества. В таких процессах всегда возникают небольшие неоднородности. Так, при радиоактивном распаде вещества одни его части распадаются чуть раньше, другие чуть позже. Подобно этому квантовый распад “ложного вакуума” в одних местах произошел чуть раньше, в других чуть позже, и это привело к тому, что переход к расширению при действии тяготения образовавшейся горячей материи происходил в разных местах в несколько различные моменты времени, что и повлекло за собой возникновение небольших неоднородностей плотности. Это есть не что иное, как первичные звуковые колебания, которые потом, после длительной эволюции, и привели к возникновению галактик.
Так, теория “раздувающейся” Вселенной объясняет основные особенности окружающего нас мира.
Но эта теория дает целый ряд других интереснейших предсказаний.
Мы уже говорили, что исчезновение состояния “ложного” вакуума можно сравнить с фазовым переходов.
Явление фазового перехода нам знакомо, например, по процессу отвердения жидкости, превращения ее в твердое, кристаллическое состояние. При кристаллизации жидкости возможно возникновение в разных местах кристалликов с разной ориентацией осей кристаллической решетки. В результате в затвердевшей жидкости воиникают разные области — домены,
Соприкасающиеся друг с другом.
Согласно новейшим результатам анализа процессов в ранней Вселенной, в ходе фазового перехода в “раздувающейся” Вселенной возникают тоже соприкасающиеся домены с разными свойствами. На границах доменов возникают всякие экзотические частицы и образования.
Например, там могут появляться так называемые магнитные монополи. Это частицы, несущие изолированный магнитный заряд, подобно тому, как электроны или протоны несут изолированный электрический заряд. Только магнитный монополь должен быть сверхтяжелым, в
10 16
— 10 17
раз тяжелее протона! Такие частицы не могут создаваться в современной Вселенной, для их образования не хватает энергии. Магнитные монополи экспериментально пока не открыты. Но на границах доменов в “раздувающейся” Вселенной их должно быть много. Давайте проследим, что будет с возникшим доменом в ходе дальнейшей эволюции Вселенной.
Домены рождаются в “эпоху 10
-34
секунды” после начала расширения. И размер каждого домена около
10
-34 световой секунды, или около 10-
24
сантиметра. Затем, в эпоху “раздувания” Вселенной, его размер увеличивается в 10 50
раз, то есть до 10 26
сантиметров (напомним, что это уже 10 миллионов световых лет!).
Стадия “раздувающейся” Вселенной заканчивается к 10
32
секунды. После этого Вселенная расширяется по более привычным законам, тормозясь обычным тяготением. Размеры в ней к нашему времени увеличиваются еще примерно в 10 25
раз. Значит, размер домена будет примерно 10 51
сантиметров.
Это колоссальное число — около 10 33
световых лет. Напомню, что размер наблюдаемой области Вселенной
“всего” около 10 10
световых лет! Никакой сигнал, выпущенный во Вселенной после стадии “раздувания” , не успевает пройти больше 10 10
световых лет. Это горизонт видимости, о котором мы говорили.
Следовательно, если домены как следствие фазовых переходов в далеком прошлом Вселенной существуют, то они огромны. Мы живем в одном из таких доменов, где-то внутри его. Степки, отделяющие “наш” домен от других, лежат от нас, вероятно, на расстоянии около 10 33
световых лет! Внутри домена распределение вещества в больших (по нашим меркам) масштабах однородно. На стенках множество монополей и другой “экзотики” . А за стенкой — другой мир.
Не правда ли, мы пришли к интереснейшей и удивительной картине?
Наша однородная Вселенная в невероятно больших масштабах далеко за горизонтом видимости снова оказывается неоднородной! Та Вселенная, о которой мы говорили, есть “только” наш домен.
Как не обратиться здесь к опыту истории астрономии. Все системы мира, созданные в разные эпохи, претендовали на описание всего мира, всей Вселенной, но на деле оказывались моделью конкретных астрономических систем. Система мира Аристотеля и Птолемея правильно отображала особенности Земли как небесного тела — ее шарообразность, движение Луны вокруг Земли. Все остальное в системе оказалось ошибочным. Система мира Коперника была моделью Солнечной системы. Вселенная Гершеля — модель нашей Галактики. Теперь, вполне возможно, свойства мира скоплений галактик также описывают “только” наш домен. Поистине неисчерпаемы свойства окружающей нас материи, и столь же неисчерпаемо могущество человеческого ума, познающего ее свойства. Все вопросы этого раздела мы обсуждали на рабочем совещании в Кембридже, о котором говорилось выше. Из осторожности надо еще раз подчеркнуть, что рассказанное — самый передний край, на котором ведет бой современная наука. Многое еще может уточняться, многое неизвестно. Так, неизвестно, что было еще ближе к сингулярности. Ясно только, что при временах меньше чем 10 45 секунды после сингулярности распадалось на кванты время и пространство. Но что, как и почему происходило — об этом пока только догадки. А что было до начала расширения? Об этом достоверно ничего не известно. Можно было бы привести кое-какие догадки. Но это пока еще не наука. И летать на крыльях фантазии без твердого управления наукой в книге, конечно, можно, но это уже в книге совсем иного рода, чем данная. НА КРЫЛЬЯХ ВРЕМЕНИ В научном творчестве каждого физика, в особенности физика-теоретика, время от времени наступают периоды, когда кажется, что в твоей области нет больше интересных задач. Про нашего физика-теоретика Л. Ландау рассказывают, как он в молодости жаловался, что подобно хорошим девушкам, которые все уже заняты или вышли замуж, все хорошие, стоящие задачи уже решены и вряд ли можно найти что-нибудь достойное среди оставшихся. Он, конечно, сам опроверг свое шутливое замечание; им поставлено и решено много замечательных задач. Подобно тому как на смену вышедшим замуж симпатичным девушкам приходят в этот мир другие, еще более симпатичные, так и на смену решенным проблемам встают новые, еще более увлекательные. Вспоминается такая полоса в моей жизни: мне казалось тогда, что я занимаюсь неперспективными проблемами. Я как-то поделился об этом с одной из коллег. Разговор перекинулся на будущее отдельных небесных тел. И она предложила интересную задачу о расчете остывания нейтронных звезд в экзотических условиях очень отдаленного будущего Вселенной. Эта совместно выполненная нами работа, совместный анализ работ других ученых об отдаленном будущем и составляет основу нашего дальнейшего рассказа. 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. Изучение будущего Вселенной принципиально отличается от изучения прошлого. Прошлое оставило свои следы, и, обнаруживая их, мы проверяем правильность своих представлений. Картина будущего — это всего экстраполяция, прямая проверка здесь невозможна. И тем не менее сегодня фундамент физических и астрофизических знаний настолько прочен, что позволяет с достаточной уверенностью рассматривать отдаленное будущее Вселенной. Оно зависит прежде всего от того, будет ли она вечно расширяться. Рассмотрим сначала будущее неограниченно расширяющейся однородной Вселенной с плотностью, не превышающей критического значения. Какие же процессы произойдут в этой неограниченно расширяющейся Вселенной? Первый из таких процессов сейчас ни у кого не вызывает сомнений — звезды в будущем погаснут. Солнце закончит свою активную эволюцию через несколько миллиардов лет и превратится в белый карлик размером с Землю, который будет постепенно остывать Звезды массивнее Солнца проживут еще меньше и в зависимости от массы в конце концов превратятся либо в нейтронные звезды с поперечником всего в десятки километров, либо в черные дыры. Наконец, возможен катастрофический взрыв в конце жизненного пути звезды с полным ее разрушением. Так, по-видимому, взрываются некоторые звезды, называемые сверхновыми. 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. Однако 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 примерно через 10 лет. Этот срок огромен, он в 10 тысяч раз больше времени, прошедшего от начала расширения Вселенной до наших дней. А теперь о судьбе галактик. Звездные системы — галактики — состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах галлактик, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры, о чем свидетельствуют бурные процессы в галактических ядрах, наблюдаемые астрофизиками. Для будущего галактик существенны очень редкие в наше время события, когда какая-либо звезда в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами приобретает большую скорость, покидает галактику и превращается в межгалактического странника. Звезды постепенно будут покидать галактику, а ее центральная часть будет понсмногу сжиматься, превращаясь в очень компактное звездное скопление. В таком скоплении звезды будут сталкиваться друг с другом, превращаясь в газ, и этот газ в основном будет падать в центральную сверхмассивную дыру, увеличивая ее массу. Звезды также будут разрушаться приливными силами, пролетая слишком близко от этой черной дыры. Конечный этап — это сверхмассивная черная дыра, поглотившая остатки звезд центральной части галактики, и рассеивание около 90 процентов всех звезд внешних частей 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. Теория “великого объединения”, которая предсказывает бурные процессы в эпоху с 10 -34 секунды по 10 32 секунды после начала расширения Вселенной, предсказывает и необходимость распада протона (а также и нейтрона в составе сложных ядер, который в этих условиях также считался стабильным). Среднее время его жизни оценивается примерно в 10 32 лет. Конечный продукт распада протона — один позитрон, излучение в виде фотона, нейтрино и, возможно, одна или несколько электронно-позитронных пар. Хотя распад протона еще не наблюдался непосредственно, мало кто из физиков сомневается в неизбежности такого процесса. Итак, примерно через 10 32 лет ядерное вещество полностью распадется. Из мира исчезнут даже погасшие звезды. Но распад 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 Кельвинов, будут потом сохранять эту температуру из-за выделения энергии при распаде вещества внутри их. Нейтронные звезды остывают за 10 19 лет до температуры около 100 Кельвинов, после чего распад вещества в них будет поддерживать эту температуру. Спустя 10 32 лет 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 одного процента всего вещества Вселенной). Ядерное вещество этого газа тоже, разумеется, распадется через 10 32 лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами — из-за крайней разреженности газа вероятность встречи этих частиц чрезвычайно мала, и в результате образуется разреженная электронно-позитронная плазма. К этому времени, то есть через 10 32 лет, во Вселенной останутся еще черные дыры, возникшие из массивных ввезд после их угасания, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик (об их судьбе мы скажем немного позже). Что же будет происходить во Вселенной после распада ядерного вещества? В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электронно- позитронная плазма и черные дыры. Основная часть массы окажется сосредоточенной в фотонах и нейтрино. Ибо именно в эти виды материи превратится обычное вещество после распада. Начнется эра излучения. Правда, надо помнить, что это излучение, чрезвычайно сильно остывшее. С расширением Вселенной плотность массы излучения быстро будет падать, так как уменьшается и плотность числа частиц, и энергия каждого кванта (а значит, и его масса). В отличие от излечения средняя плотность обычной материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр убывает только из-за уменьшения их концентрации при расширении Вселенной. Значит, плотность этих видов материи убывает медленнее, чем плотность излучения. Поэтому ко времени лет плотность материи уже будет определяться главным образом массой, заключенной в черных дырах. Ее будет гораздо больше, чем в электронно-позитронной плазме. Если масса покоя нейтрино не ноль, как мы это разбирали выше, то значительная доля массы останегся также в нейтрино. На смену эре излучения придет эра черных дыр! Но и черные дыры не вечны. В поле тяготения вблизи черной дыры происходит, как мы знаем, 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 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 96 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 это излучение несравненно более холодное, чем излучение в эпоху распада вещества. Вследствие расширения Вселенной плотность излучения, как уже говорилось, падает быстрее плотности электрон-но- позитронной плазмы, и через 10 100 лет станет доминирующей именно эта плазма и, кроме нее, во Вселенной не останется практически ничего. На первый взгляд картина эволюции Вселенной в отдаленном будущем выглядит весьма пессимистически из-за 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 будет приходиться 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 замедленны, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была примерно
10 27
Кельвинов, происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10
34
секунды, а пространственные масштабы были порядка 10
-24
сантиметра. С точки зрения подобных масштабов и сверхбыстрых процессов 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 формах, и “ пульс жизни будет биться все медленнее, но никогда не остановится” .
И звезды умирают во Вселенной...
Огромна ночь.
И только черный ветер
Качает небо с легкой белой птицей...
Она взлетела с маленьких ладоней,
Когда ребенок осознал себя,
И этот мир, и звезды, и столетья...
Рождение и смерть всего на свете.
Конечность жизни.
Бесконечность неба.
Несчетны стаи птиц,
Что кружат во Вселенной,
Частицы света в беспредельной бездне.
Огромна ночь.
Пока ребенок спит,
Рождаются галактики и люди,
И звезды умирают в страшных муках.
Пока ребенок спит,
Облитый светом,
Последним светом умершей звезды.
Что остается после человека? —
Большая птица
С детскими глазами,
Частица света в ледяном пространстве.
М. Катыс
Наша пытливая мысль залетела в невообразимо далекое будущее. В таких длительных полетах всегда можно столкнуться с чем-то непредусмотренным. 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
34
секунды после начала расширения, вакуум — “ложный вакуум”, как мы его называли, — вероятно, уже распался, порождая частицы и античастицы больших энергий. Эта энергия соответствовала температуре 10 27
Кельвинов, а плотность вещества составляла 10 74
г/см
3
В современном вакууме (в том, что в просторечии называется пустотой), тоже, возможно, заключена некоторая плотность энергии. Но, как мы видели в разделе “Гравитация пустоты”, она если и есть, то очень мала и соответствует плотности массы не более чем 10
28
г/см
3
, а может быть, даже существенно меньше. Обнаружить такую плотность даже в астрономических наблюдениях крайне трудно. Теория полагает возможным, 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 Вновь возникший при этом “сверхистинный вакуум” будет обладать гравитационными свойствами притяжения, а не отталкивания, как “ ложный вакуум” Ясно, что если расширение Вселенной сменится сжатием, то при этом вся нарисованная нами картина будущего Вселенной изменится в корне. И еще одно замечание Рисуя будущее Вселенной, мы предполагали, что нейтрино всех сортов не обладают массой покоя, то есть представляют собой излучение. Предполагалось также, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю Но, как мы видели в главе “Нейтринная Вселенная” , возможно, масса покоя нейтрино не равна нулю. Влияния этого факта на будущие 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 сегодня никакого действия на темпы расширения Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не так быстро, как плотность массы фотонов, а так же, как плотность массы обычных частиц, 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/см 3 ), 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 ожидает сжатие, разрушение при этом небесных тел, возникновение вновь сверхплотного сверхгорячего вещества со сверхбурными физическими процессами. Как видите, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе ин тересным и многообразным. Правда, во всех вариантах в отдаленном будущем Вселенная будет совсем не похожа на окружающую нас сегодня Либо это состояние очень разреженное и холодное, либо очень плотное и горячее. Ну что же Мы это должны четко понимать Вселен ная эволюционирует непрерывно Прошлое ее было весь ма своеобразным и не похожим на настоящее Будущее также будет весьма отличным от всего, что мы видим сегодня Надо также четко понимать, что при этом в будущем нет ничего фатально неизбежного для разумной жизни в широком смысле этого слова. За ничтожный (по сравнению с эволюцией Вселенной) период цивилизации человеческая мысль овладела многими тайнами природы, заставила ее законы служить человеку. Если мы будем достаточно благоразумны, чтобы сберечь жизнь на Земле в нашу эпоху бурных социальных потрясений (а мы в Советском Союзе верим, что так будет, и боремся за это), то трудно вообразить, какого научного могущества мы достигнем через сто, тысячу, миллион, а тем более миллиарды лет. Человек (опять же в широком смысле слова) научится использовать для своего блага все законы эволюции Вселенной, научится управлять ими. Было бы наивно полагать, что Вселенная приготовила на все времена для человечества благодатные “тепличные” условия для существования. “Мы не должны ждать милости от природы. Взять их у нее — наша задача”. Эти слова известного естествоиспытателя, — гордые слова, достойные человечества. Конечно, при осуществлении подобных задач в масштабах Вселенной совершенно по-новому обернутся проблемы охраны природы и другие. Но несомненно то, что будущее общество найдет способы их решить. Подходя к концу нашего повествования, хотим еще раз напомнить, что, конечно же, серьезные изменения во Вселенной (по сравнению с нынешним ее состоянием) во всех случаях могут начаться очень не скоро 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— 20 миллиардов лет от начала расширения. Заключение Не может быть заключения в рассказе о предмете, о котором мы вели речь. Рассказ о вечно эволюционирующей, вечно молодой Вселенной не терпит итогов. Но что все же хочется специально подчеркнуть, так это особенно бурное развитие науки о Вселенной — космологии, приносящей новые удивительные открытия и новые фундаментальные знания. В эту науку сейчас приходит новое молодое поколение ученых, берущихся за решение еще недавно “неразрешимых проблем”. Хочется, чтобы они были вооружены не только знанием, но и вдохновением, настоящей влюбленностью в свое дело. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ЧАСТЬ I. ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ Глава 1 Что это такое? Невидимые миру звезды Гравитационный радиус Предсказание Глава 2. Вокруг черной дыры Дыра во времени Небесная механика черных дыр Черные дыры и свет “Черные дыры не имеют волос” Гравитационный вихрь вокруг черной дыры Глава 3 Энергия из гравитационной бездны Бездонные черные дыры Гравитационная бомба За краем гравитационной бездны Нет ничего проще и сложнее, чем черные дыры 54 Глава 4. Поиски черных дыр Они должны сущее гвовать Как искать черные дыры? Черные дыры открыты? Гигантские черные дыры
Глава 5. Черные дыры и кванты
Пустая ли пустота?
Открытие Хоукинга
Черные дыры взрываются
ЧАСТЬ II. К ГРАНИЦАМ БЕСКОНЕЧНОСТИ
Глава 1. Вселенная после взрыва
Мир, в котором мы живем
“Мерные масштабы” и другие инструменты астрономов
Вселенная должна эволюционировать
Открытие расширения Вселенной
Расширяется ли Вселенная?
Глава 2 Механика Вселенной
Вселенная в прошлом
Гравитация пустоты
Будущее расширяющейся Вселенной
Проблема скрытой массы
Кривое пространство
Горизонт
Глава 3 Горячая Вселенная
Физика начала расширения
Холодное или горячее начало
Как было открыто реликтовое излучение
Почему реликтовое излучение не открыли раньше?
Путешествие в далекое прошлое
Первые пять минут
Сколько гелия в природе?
Триста тысяч лет эры фотонной плазмы и наша эра
Глава 4 Нейтринная Вселенна
Нейтрино
Свойства Вселенной
Нерешенные проблемы
Нейтрино во Вселенной
Нейтринный эксперимент
Нейтринная Вселенная
Происхождение галактик
Реальность и фантастика
Глава 5 У границ известного
Почему Вселенная такая?
На крыльях времени
Заключение
|
Скачать 1.18 Mb.