Будущее Вселенной

Будущее Вселенной. Современная наука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной, останавливается на двух вариантах открытой и замкнутой Вселенной. Если предположить, что Вселенная замкнута, в этом случае в течение 40-50 миллиардов лет ничего существенного не произойдет.

Галактики будут все дальше разбегаться друг от друга, пока в какой-то момент самые дальние из них не остановятся и Вселенная не начнет сжиматься. На смену красному смещению спектральных линий придет синее. К моменту максимального расширения большинство звезд в галактиках погаснет, и останутся в основном небольшие звезды, белые карлики и нейтронные звезды, а также черные дыры, окруженные роем частиц - в большинстве своем фотонов и нейтронов. Наконец, через примерно 100 миллиардов лет начнут сливаться воедино галактические скопления отдельные объекты сначала будут сталкиваться очень редко, но со временем Вселенная превратится в однородное море скоплений.

Затем начнут сливаться отдельные галактики, и, в конце концов, Вселенная будет представлять собой однородное распределение звезд и других подобных объектов. В течение всего коллапса в результате аккреции и соударений станут образовываться, и расти черные дыры. Будет повышаться температура фонового излучения в конце концов, она почти достигнет температуры поверхности Солнца и начнется процесс испарения звезд.

Перемещаясь на фоне ослепительно яркого неба, они подобно кометам будут оставлять за собой состоящий из паров след. Но вскоре все заполнит рассеянный туман и свет звезд померкнет. Вселенная потеряет прозрачность, как сразу же после Большого взрыва. В гл. 6 мы видели, чторанняя Вселенная была непрозрачной, пока ее температура не упала примерно до 3000 К тогда свет стал распространяться без помех.

По мере сжатия Вселенная, естественно, будет проходить те же стадии, что и при создании Вселенной, но в обратном порядке. Температура будет расти, и сокращающиеся интервалы времени начнут играть все большую роль. Наконец галактики тоже испарятся и превратятся в первичный суп из ядер, а затем распадутся и ядра. На этом этапе Вселенная станет крохотной и состоящей только из излучения кварков и черных дыр. В последнюю долю секунды коллапс дойдет почти до сингулярности.

Что будет дальше - неизвестно, поскольку нет теории, которая годилась бы для описания сверхбольших плотностей, возникающих до появления сингулярности, можно лишь строить предположения. В теории замкнутой Вселенной появилась так называемая идея отскока - внезапного прекращения сжатия, нового Большого Взрыва и нового расширения. Одной из причин первоначального введения идеи отскока была возможность обойти неприятную с точки зрения многих астрономов проблему возникновения Вселенной.

Если отскок произошел один раз, то он мог случаться неоднократно, может быть, бесчисленное количество раз, поэтому не нужно и беспокоиться о начале времен. К сожалению, при подробной проработке такой идеи оказалось, что, и отскок не решает проблемы. В интервалах между отскоками звезды излучают значительное количество энергии, которая затем концентрируется при достижении состояния, близкого к сингулярности. Эта энергия должна постепенно накапливаться, из-за чего промежуток времени между последовательными отскоками будет возрастать.

Значит, в прошлом эти промежутки были короче, а когда-то, в пределе, промежутка не было вовсе, т. е. мы приходим к тому, чего старались избежать проблеме начала Вселенной. Согласно расчетам, от начала нас должно отделять не более 100 циклов расширений и сжатий. Многие предпринимали попытки обойти эту проблему. Томми Голд, например, разработал теорию, согласно которой в момент наибольшего расширения время начинает течь вспять. Излучение устремится обратно к звездам и Вселенная омолодится.

В таком случае она будет равномерно осциллировать между коллапсом и максимальным расширением. Весьма интересную, но очень спорную теорию предложил Джон Уилер. Воспользовавшись идеей Хо-кинга, согласно которой фундаментальные константы теряют свои числовые значения при достаточно высоких плотностях, он показал, что цикл осцилляции не обязательно должен удлиняться. Из-за принципа неопределенности значения констант утрачиваются, когда Вселенная сжимается до почти бесконечной плотности.

После возможного отскока и нового расширения эти константы могут получить совершенно иные значения. Продолжительность циклов в таких обстоятельствах также будет меняться, но случайным образом одни циклы станут очень длинными, а другие короткими.110 Паркер Б. Мечта Эйнштейна, в поисках единой теории Вселенной. Спб. Амфора, 2001. С. 203-204.0 Согласно противоположной теории, открытая Вселенная будет расширяться вечно. Первые события будут, конечно, аналогичны тем, которые происходят в замкнутой Вселенной.

Звезды постепенно постареют, превратившись с течением времени в красных гигантов, либо взорвутся, либо медленно сколлапсируют и умрут. Некоторые из них, прежде чем погаснуть, столкнутся с другими звездами. Такие столкновения очень редки, и с момента образования нашей Галактики по крайней мере, в ее внешних областях, где мы обитаем их было совсем немного. Однако за триллионы и триллионы триллионов лет таких столкновений произойдет множество.

Часть из них лишь сбросит в пространство планеты, а в результате других звезды окажутся на совершенно иных орбитах, некоторые даже вне пределов нашей Галактики. Если подождать достаточно долго, то нам покажется, что внешние области галактик испаряются. Не выброшенные из галактик звезды в результате столкновений, скорее всего, будут притягиваться к центру, который, в конце концов, превратится в черную гигантскую дыру. Примерно через 1018 лет большинство галактик будет состоять из массивных черных дыр, окруженных роем белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр, планет и различных частиц. Дальнейшие события вытекают из современной единой теории поля, называемой теорией великого объединения.

Из этой теории следует, что протон распадается примерно за 1031 лет. Сейчас ведется несколько экспериментов по обнаружению такого распада, а значит, и по проверке теории, Согласно ей, протоны должны распадаться на электроны, позитроны, нейтрино и фотоны. Отсюда следует, что, в конце концов, все, что состоит во Вселенной из протонов и нейтронов а их не содержат только черные дыры, распадется на эти частицы.

Вселенная превратится в смесь из них и черных дыр, и будет находиться в таком состоянии очень, очень долго. Когда-нибудь испарятся маленькие черные дыры, а вот с большими возникнут трудности. Фоновое излучение к тому времени будет очень холодным, но все же его температура останется чуть выше, чем у черных дыр. Однако по мере расширения Вселенной ситуация изменится температура излучения станет ниже, чем на поверхности черных дыр, и те начнут испаряться, медленно уменьшаясь в размерах на это потребуется примерно 10100 лет. Затем Вселенную заполнят электроны и позитроны, которые, вращаясь, друг вокруг друга, образуют огромные атомы.

Но постепенно позитроны и электроны, двигаясь по спирали, столкнутся и аннигилируют, в результате чего останутся только фотоны. Во Вселенной не будет ничего, кроме излучения. Мы рассмотрели судьбу как открытой, так и закрытой Вселенной.

Что ее ждет, пока неизвестно. Если даже Вселенная когда-нибудь сколлапсирует, неизвестно, произойдет ли потом отскок. Одна из трудностей, на которую наталкивается традиционная теория Большого взрыва необходимость объяснить, откуда берется колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. Не так давно внимание ученых привлекла видоизмененная теория Большого взрыва, которая предлагает I ответ на этот вопрос. Она носит название теории раздувания, и была предложена в 1980 году сотрудником Массачусетского технологического института Аланом Гутом. Основное отличие теории раздувания от традиционной теории Большого взрыва заключается в описании периода с 10-35 до 10-32 с. По теории Гута примерно через 10-35 с Вселенная переходит в состояние псевдовакуума, при котором ее энергия исключительно велика.

Из-за этого происходит чрезвычайно быстрое расширение, гораздо более быстрое, чем по теории Большого взрыва оно называется раздуванием.

Через 10-35 с после образования Вселенная не содержала ничего кроме черных мини-дыр и обрывков пространства, поэтому при резком раздувании образовалась не одна вселенная, а множество, причем некоторые, возможно, были вложены друг в друга. Каждый из участков пены превратился в отдельную вселенную, и мы живем в одной из них. Отсюда следует, что может существовать много других вселенных, недоступных для нашего наблюдения. Хотя в этой теории удается обойти ряд трудностей традиционной теории Большого взрыва, она и сама не свободна от недостатков.

Например, трудно объяснить, почему, начавшись, раздувание, в конце концов, прекращается. От этого недостатка удалось освободиться в новом варианте теории раздувания, появившемся в 1981 году, но в нем тоже есть свои трудности. А был ли Большой Взрыв Ученых давно волновал вопрос о существовании модели Вселенной без начала, модели, в которой Вселенная бесконечна стара. Модель такого рода, известную как модель стабильного состояния выдвинули в 1948 г. Германн Бонди, Томас Гоулд и Фред Хоил. Она описывает постоянно расширяющуюся Вселенную, не имеющую ни начала, ни конца, плотность вещества в ней имеет постоянную величину.

Каким же образом система может расширяться и в то же время сохранять свою плотность неизменной В модели стабильного состояния это достигается за счет непрерывного поступления нового вещества. Сформулировать процесс образования вещества, не нарушая закона сохранения массы энергии можно математически. Но эта модель обнаружила серьезные недочеты после открытия в 1964 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном микроволнового фонового излучения, однако, сегодня сторонники модели стабильного состояния считают, что это открытие не представляется столь противоречащим данной модели.

Открытие излучения расценивалось, как самое убедительное доказательство того, что Вселенная возникла в результате горячего большого взрыва, это основывалось на следующих соображениях наблюдаемое излучение распределяется чрезвычайно равномерно без каких-либо пятен, которые должны были возникнуть, если бы излучение поступало из большого числа отдельных источников спектр этого излучения весьма схож со спектром идеального черного тела, черное тело это замкнутое пространство с объектами, постоянно испускающими и поглощающими излучение, причем, излучение не покидает это пространство и не поступает в него извне.

Согласно теории, в такой системе устанавливается четкое соотношение между соответствующей интенсивностью излучения и длинной его волны.

Оба эти свойства должны быть присуще моделям Вселенной, возникшей в результате Большого Взрыва, поэтому излучение стали рассматривать как остаточное явление ранней горячей Вселенной. Однако такое истолкование сталкивается с некоторыми трудностями. Во-первых, наблюдаемый спектр не совпадает в точности со спектром чернотельного излучения. Такие небольшие отклонения от спектра черного тела нельзя игнорировать. Они были отмечены Д.П. Вудди и П.Л. Ричардсом в 1980 г. и до сих пор остаются нерешенной проблемой в модели Большого Взрыва.

Вторая трудность заключается в чрезвычайной равномерности самого фона. В связи с этим возникают две проблемы. Во-первых, равномерность фонового излучения в небольших масштабах. Если, как утверждают, излучение представляет собой явление ранней горячей фазы, то оно должно нести на себе отпечаток изменений, которым подверглась Вселенной после этой фазы. Одним из важных изменений было образование галактик, т.е. появились сгустки вещества, и это должно было повлиять на фоновое излучение.

Отсутствие таких сгустков, несмотря на неоднократные поиски их, вызывает недоумение у сторонников теории Большого Взрыва. Вторая проблема, возникающая в связи с равномерным распределением излучения, известна как эффект горизонта. Когда мы проникаем взглядом в глубины Вселенной, мы наблюдаем ее прошлое, т.к. свет идущий от удаленных объектов, движется с конечной скоростью. Итак, если возраст Вселенной равен 15 миллиардов лет, то мы можем видеть объекты, удаленные от нас на 15 миллиардов световых лет. Однако фоновое излучение образовалось, когда возраст Вселенной едва насчитывал 300 тысяч лет. В то время объекты, удаленные друг от друга более чем на 300 тысяч световых лет, не сообщались друг с другом, поскольку самое быстрое средство общения световой луч не могло покрыть это расстояние.

С другой стороны, существующая в настоящее время равномерность фонового излучения предполагает, что такие удаленные объекты характеризовались весьма сходной структурой и поведением.

Чем же объяснить это сходство при отсутствии физического контакта Космологи, придерживаются теории Большого Взрыва, выдвигают теоретические предположения относительно ранней истории Вселенной, пытаясь понять эти таинственные свойства микроволнового фонового излучения. Но сторонники данной теории полагают, что поиск следует вести, а другом направлении и что микроволновый фон, в конечном счете, не имеет реликтового характера.

Фоновое излучение заполняет вселенную на всех длинах волн. Как известно, все виды излучения за исключение микроволнового возникли недавно и не связаны с горячей стадией Большого Взрыва. В 60-70 г.г. группа ученых Фред Хойл, Чандра Викрамасингхе, В. С. Реддиш и др. утверждали, что микроволновое фоновое излучение может представлять собой переработанное излучение, поступающее главным образом от звезд. Такая переработка может осуществляться частицами пыли, если они в небольшом количестве присутствуют в межгалактическом пространстве.

Эти ученые считают, что если будет найдено правдоподобное объяснение микроволнового фона, то позиции космологии Большого Взрыва будут существенно ослаблены.111 См. Джайанат В. Нарликар А был ли Большой Взрыв Курьер Юнеско. 1984. 10. С.151 Таким образом, это еще один подход к сценарию Большого Взрыва.