Каково будущее Вселенной?

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.

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 10(18) 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 10(31) 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 10(100) 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. 

АСТРОНОМЫ ЗАГЛЯНУЛИ В ПРОШЛОЕ  И БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ

Какова  судьба нашего Солнца, что произойдет с Галактикой и со Вселенной через  миллиарды лет? Будут ли они существовать вечно или все вокруг ждет неизбежный конец? Вселенная все-таки расширяется?

Сенсационное  открытие сделала не так давно  международная группа ученых, работающая на Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Анализируя данные о  вспышках сверхновых звезд, астрономы  пришли к выводу, что наша Вселенная  расширяется все более быстрыми темпами.

А это  свидетельствует о том, что в  ней действует сила отталкивания пока неизвестной природы, которая  противодействует силе гравитационного  притяжения.

Ученые  проанализировали данные об излучении 14 сверхновых звезд, располагающихся  на расстоянии от 7 до 10 млрд световых лет  от Земли. Самые далекие из этих звезд  находились на полпути до границы  видимой Вселенной. Поскольку свет распространяется с огромной, но все-таки конечной скоростью, то, изучая излучение  от сверхновых звезд, находящихся на различном расстоянии, астрономы  смогли заглянуть в прошлое Вселенной  на 7-10 млрд лет.

Лишний  член в уравнении  Эйнштейна. По мнению исследователей, полученные результаты показывают, что сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем в прошлом. И указывают на присутствие загадочной силы антигравитации, которая, являясь исключительно слабой, в земных масштабах не проявляется. В масштабах же Вселенной ее роль становится жизненно важной.

Наличие антигравитации предполагал еще  Эйнштейн. Чтобы сделать Вселенную  стационарной, «не дать» ей сжаться  под действием тяготения, он в 1917 году ввел в уравнения пространства-времени  общей теории относительности космологический  член, который уравновешивал тяготение. Однако в 1929 году Эдвин Хаблл открыл, что Вселенная расширяется. После  этого Эйнштейн назвал добавленный  им в уравнения дополнительный член крупнейшей ошибкой своей жизни. Но, как теперь выясняется, великий  физик был не так уж и неправ. Не исключено, что во Вселенной действительно  существует сила антигравитации, во многом определяющая эволюцию и строение мироздания.

— Вселенная  постепенно расширяется одинаково  по всем направлениям, — рассказывает доцент Челябинского госуниверситета, кандидат физико-математических наук Владимир Карташов. — Все галактики  удаляются друг от друга со скоростями, прямо пропорциональными расстояниям  между ними. Чем дальше от нас  находится та или иная галактика, тем быстрее она движется. И  на расстояниях порядка 15-20 тысяч  световых лет эта скорость удаления звездных систем достигает скорости света. А значит, световые лучи от более  далеких космических объектов до нас дойти просто не успевают. Поэтому  о том, что происходит на более  далеких расстояниях, мы можем только догадываться.

Эра вырождения. Что же произойдет со Вселенной в отдаленном будущем? По разным оценкам специалистов, либо она будет расширяться вечно, либо в какой-то момент силы притяжения остановят разлетающиеся галактики и заставят их вновь сближаться. В случае бесконечного расширения существенные изменения будут происходить и внутри самих галактик. При исчерпании ядерного горючего одна за другой начнут угасать звезды. Последние звезды погаснут через 10 с 14 нулями лет. В результате разрушатся более сложные звездные системы, а также планетные. А другие звезды приобретут такие скорости, что покинут свои галактики. И через 10 с 18 нулями лет эти звездные острова лишатся большей части своих звезд. А то, что от них останется, под действием собственного притяжения испытает катастрофическое сжатие и превратится в галактические черные дыры. С этого момента будут удаляться друг от друга уже не галактики, а черные дыры и одиночно погасшие звезды, разбросанные в мировом пространстве.

А потом  станет еще хуже, пророчат астрономы. Протоны — ядра атомов водорода — будут распадаться на более  легкие частицы. И тогда через 1 с 33 нулями лет во Вселенной не останется  ни атомов, ни молекул. Сохранятся только электроны, фотоны, нейтрино и медленно «испаряющиеся» черные дыры. Последние  из них исчезнут через 10 со 100 нулями лет. И Вселенная превратится  в расширяющийся и постепенно охлаждающийся фотонно-электронный  газ.

А сохранится ли разумная жизнь во Вселенной? Член-корреспондент  РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Астрокосмического  центра Игорь Новиков считает, например, что разумная жизнь сохранится, но примет совершенно необычайные формы. Например, полевые формы жизни  или «сгустки информации».

Если  же фаза расширения со временем сменится на фазу сжатия, то затем вновь произойдет очередное расширение — и так  без конца. Разработанный ряд  теоретических моделей подобных «циклических» Вселенных показывает, что все в мире происходило  не один раз.

Сменится  ли расширение сжатием? Для того чтобы  это произошло, общая масса Вселенной  должна быть достаточно велика — тогда  ее притяжение будет тормозить разбегание галактик и в коне концов остановит  их разлет и заставит повернуть эти  звездные острова вспять.

Солнце  остынет, как выключенный  утюг. Судьба Солнца, которому сейчас чуть больше 5 млрд лет (для сравнения — Млечному пути 10 млрд лет), более или менее ясна. Через 1 млрд лет наше дневное светило настолько разогреется, что запросто может спалить Землю. А через 8 млрд лет Солнце превратится в гигантскую звезду и, возможно, поглотит Землю. А затем превратится в белого карлика — совсем маленькую звезду, имеющую размеры уничтоженной им Земли. Произойдет это потому, что нечему будет гореть внутри светила — весь водород превратится в гелий. И долгие годы Солнце будет светить, остывая, как выключенный из розетки электрический утюг, постепенно превращаясь в холодное космическое тело. Остается надеяться, что человечество, если еще будет существовать до того времени, сможет улететь к более гостеприимной звезде.

— Многие десятилетия астрономы придерживались мнения, что Вселенная еще очень  молода по геологическим масштабам: ей всего от 10 до 15 млрд лет, — рассуждает физик Карташов. — Если сейчас Вселенная  расширяется, то чем дальше мы заглядываем  в прошлое, тем меньше у нее  были размеры. И было такое время, когда громадное количество вещества находилось в небольшом объеме и  оно было разогрето до 10 млрд градусов.

С какой  же скоростью сейчас расширяется  Вселенная? Для ответа на вопрос надо знать, с какой скоростью галактики  удаляются друг от друга. От одной  из ближайших к нам галактик —  туманности Андромеды свет до нас идет 2 млн лет! Значит, по космическим меркам, не очень-то и быстро «распухает» наше мироздание.

Будущее покрыто Туманностью  Андромеды. Открытие расширяющейся Вселенной было главным достижением астрономов прошедшего ХХ века. Они поняли, что завтра Вселенная будет немного другая, чем сегодня. А сегодня, в начале ХХI века, астрономы гадают: какой она будет через многие годы?

По оценкам  знаменитого американского астронома, члена Национальной академии наук в  Вашингтоне Эдвина Хаббла, скорость удаления галактики увеличивается на 500 км в секунду при увеличении расстояния на 1 мегапарсек. Но эта оценка не устраивала многих ученых сразу же после ее определения. Ведь в таком случае Вселенная оказывалась моложе тех  объектов, которые в ней находились!