Системы мира

Создание новых моделей имеет под собой очевидную психологиче­скую подоплеку. Теория Большого Взрыва неизбежно сталкивается с проблемой сингулярности, камнем преткновения всей современ­ной физики. Поэтому вполне понятно стремление тем или иным путем обойти эту трудность. Сингулярность как дамоклов меч продолжает угро­жать космологии, и пока физика не разберется с этой проблемой, не бу­дет стройной и законченной теории происхождения мира. Теорию Боль­шого Взрыва нельзя считать неуязви­мой, и поэтому, хотя на сегодняшний день она кажется наиболее правдо­подобной, ей придется “держать уда­ры” по слабым местам. А эти удары бесспорно будут наноситься.

Навязчивая идея стационарности мира порождает и другие попытки объяснения красного смещения — одной из основ моделей расширя­ющейся Вселенной. Очень популярна (среди неспециалистов) мысль о ста­рении фотонов. Суть заключается в том, что кванты света могут терять энергию в пространстве, пока они дойдут до земных наблюдателей. За счет чего происходят подобные потери энергии? Здесь предлагается несколь­ко механизмов. Во-первых, само старе­ние. Но это предположение совер­шенно не укладывается в рамки со­временной физики. Во-вторых, рас­сеяние на пылинках. Но в этом случае красное смещение очевидным обра­зом должно было бы зависеть от дли­ны волны излучения.

Будущее Вселенной

В космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться,— будущее нашего ми­ра. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий фило­софский смысл.

В какой-то мере проблема даль­нейшей судьбы Вселенной проще, чем проблема начала. Здесь возможны только два (в простейшем случае) варианта. Первый состоит в том, что Вселенная будет постоянно расши­ряться в течение неограниченного времени. Второй обрекает Вселен­ную на грандиозную катастрофу — “коллапс в огненной смерти, когда небо становится все горячее и горя­чее, пока оно наконец не обрушится на нас и не загонит нас в пространст­венно-временную сингулярность с бесконечной температурой” (Дайсон).

Во втором варианте опять на сцене появляется сингулярность, но на этот раз не порождающая, а уничтожа­ющая наш мир. По крайней мере, в этом случае можно с уверенностью сказать, что жизнь во Вселенной (так, как мы ее понимаем и видим сегодня) исчезнет за миллионы лет до того, как мир сожмется в точку. Избежать этого, быть может, удастся, научив­шись путешествиям в другие вселен­ные или предотвращая процесс об­ратного сжатия, но рассуждения на эту тему сегодня еще преждевремен­ны, человечеству угрожает гибель от термоядерной катастрофы в более обозримое время и от более низких температур, чем в сингулярности.

Выбор вариан­тов определяется зна­чением средней плотности вещества во Вселенной. Эта цифра, несмотря на большое число наблюдательных данных, многочисленные теоретиче­ские оценки, известна не с очень вы­сокой точностью. Если учесть только массу галактик, а затем усреднить ее по объему Вселенной, то получится значение средней плотности ρ=3*10-31 г/см3. Но, кроме галак­тик, в космосе есть еще ионизирован­ный газ, черные дыры, потухшие звез­ды и другие виды материи. Значение средней плотности галактик много меньше значений критической плотности (ρкр==10-29 г/см3), при котором фаза расширения обязательно долж­на смениться фазой сжатия.

Однако в астрофизике существует так называемая проблема скрытой массы — трудно наблюдаемых форм вещества в космосе. Эта масса может находиться как в скоплениях галактик, так и в пространстве между скопле­ниями. Оценки скрытой массы под­нимают значение средней плотности вещества Вселенной почти до ее кри­тического значения. К самой серьез­ной переоценке ρкр (плотности с уче­том скрытой массы) привели резуль­таты экспериментов, проведенных в Советском Союзе группой исследо­вателей под руководством В. Люби­мова. Физика опять столкнулась с си­туацией, когда мир элементарных частиц снова во весь голос заявил о своем прямом воздействии на космо­логию.

В институте экспериментальной и теоретической физики долгое время изучалось поведение нейтрино, кото­рые до последнего времени считались безмассовыми частицами. Но вот в 1980 году группа В. Любимова опубли­ковала поистине ошеломляющий ре­зультат. Масса покоя нейтрино оказа­лась отличной от нуля! Очень малой, но все-таки не нуль! Оценки дали зна­чение массы нейтрино около 5*10-32 грамма. Нейтрино в 20 тысяч раз лег­че электрона и в 40 миллионов раз легче протона.

На первый взгляд это открытие важ­но лишь для физики элементарных частиц. Но только на первый взгляд. Все дело в том, что нейтрино очень много во Вселенной, не меньше, чем фотонов, а их несколько сот “штук” в одном кубическом сантиметре прост­ранства. Сразу же возникает желание проделать элементарный расчет: умножить вес одного нейтрино на число их в кубическом сантиметре. Результат получается поразительным: рнейтр=10-29 г/см3, то есть плотность нейтрино примерно равна критической. А тут еще надо учесть, что мас­са была определена лишь у одного типа нейтрино, а их как минимум че­тыре. Предполагается, что массы остальных типов нейтрино могут быть больше, чем масса электронного нейтрино, определенная физиками из ИТЭФ.

Если учесть все эти соображения, то средняя плотность материи во Все­ленной заведомо больше критиче­ской, и, следовательно, расширение должно обязательно смениться сжа­тием. Чтобы этот вывод не звучал слишком категорично, сделаем ого­ворку, смысл которой состоит в том, что безусловно следует подождать подтверждения экспериментальных результатов группы Любимова. Если они будут подкреплены независимы­ми данными, то окажется, что мы жи­вем в нейтринной Вселенной и очень многие ее свойства определяются присутствием в нашем мире этих частиц. Масса обычного вещества в этой Вселенной составляет лишь 3 процента от массы всех нейтрино.

Тем не менее имеющаяся все-таки на сегодняшний день неопределен­ность в значении средней плотности Вселенной дает нам моральное право рассмотреть альтернативный сцена­рий ее будущего.

Итак, пусть pcp<pkp.

Что случится в этом случае с прост­ранством и веществом? Будущую жизнь мира можно разделить на шесть основных этапов. Первый из них займет примерно 1014 лет. Поче­му?

Хорошо известно, что звезды светят за счет происходящих в них термо­ядерных реакций. Но для прохож­дения этих реакций необходимо топ­ливо. Водород — главное горючее в термоядерных реакциях, а запасы его не беспредельны. Кроме того, чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует ядерное горючее. К приме­ру, наше Солнце будет работать ста­бильно, как гигантский термоядерный реактор, еще примерно 10 миллиар­дов лет. Затем наступает очередь выгорания других элементов, более тяжелых, чем водород, и в конце концов звезда умирает, перестает светить. Заметим, что у звезд разной массы этот про­цесс происходит по-разному, но, не вдаваясь сейчас в подробности, еще раз подчеркнем, что через 1014 лет на небе погаснут звезды.

Параллельно этим грустным со­бытиям звезды будут терять планеты из-за возмущений орбит при сближе­нии с другими звездами. Это процесс довольно редкий, но, поскольку мы оперируем сейчас огромными про­межутками времени, его нужно учи­тывать. Это займет про­межуток времени примерно в 1017 лет.

Следующий этап в жизни Вселенной действительно грандиозен, и здесь снова центральную роль играет боль­шая шкала времен, на которой уже необходимо учитывать тесные сбли­жения звезд. При таких сближениях одна звезда может передать свою ки­нетическую энергию другой. В ре­зультате такого “обмена” возможен вылет одного из партнеров за преде­лы Галактики, в то время как другая звезда, потеряв часть своей энергии, приблизится к центру Галактики. Ес­ли каждую звезду уподобить молеку­ле газа, то процесс вылета аналоги­чен испарению, в связи с чем этот этап в жизни Вселенной был назван испарением галактик.

После “испарения” приблизительно 90 процентов массы Галактики гра­витационное поле начнет “подгре­бать” к центру мертвые звезды и вещество с малой кинетической энер­гией. Дело кончится тем, что в резуль­тате может образоваться сверхмассив­ная черная дыра в центре Галактики. Этот период можно назвать периодом уборки Вселенной — все “лишнее” уходит в черные дыры.

Часы показывают 1018 лет. Далее на авансцену опять выступают законы микромира. Мы помним, что теории Великого объединения предсказы­вают нестабильность протона, его рас­пад. Правда, возможное время этого распада очень велико: все протоны во Вселенной должны исчезнуть через 1030-1032 лет.

Если протон действительно нестаби­лен, то вещество звезд, не проглочен­ных сверхмассивными черными ды­рами в центрах галактик, будет слегка подогреваться при протонных распа­дах. Самые массивные мертвые звез­ды будут иметь температуру при­мерно 100К, а менее массивные— всего около 3 К.

Итак, через 1031—1032 лет во Все­ленной не останется протонов. Если на время забыть о существовании черных дыр, то вся Вселенная будет заполнена электрон-позитронным га­зом, нейтрино и фотонами. Их концентрация будет убывать по мере рас­ширения Вселенной. Никаких особен­ных изменений не будет происходить еще примерно 10100 лет.

Заключительный, финальный ак­корд в жизни нашего мира связан с квантовым испарением черных дыр. В 1974 году появилась историческая работа С. Хокинга, в которой было показано, что гравита­ционная могила, черная дыра не веч­на, она очень медленно “испаряется”, теряя свою массу в виде квантов све­та. Но это будет происходить, когда космические часы покажут 10100 лет. Столь огромный срок трудно себе представить.

Неопределенность наших сегод­няшних знаний о значении средней плотности не позволяет сделать точ­ный выбор между двумя вариантами будущей судьбы нашего мира. Оста­ется открытым и вопрос о том, что будет после возможного коллапса Вселенной, произойдут ли повторные Большие Взрывы с последующими повторными Большими Коллап­сами?

                                                  Список литературы:

1. Мухин Л.М. “Мир Астрономии: рассказы о Вселенной, звёздах, галактиках”. –М.: Мол. гвардия, 1987.
2. Р.Пенроуз “Структура пространства-времени”. Бибфизмат.