Путеводитель в невозможное, невероятное и чудесное.

На заброшенном чердаке, неподалеку от Британского музея:

Корнелий схватил чистый лист бумаги, пропустил его через ролик и начал печатать. Отправной точкой его сказания был сам Большой взрыв, когда космос отправился в свой вечно расширяющийся путь в будущее. После краткой вспышки инфляции Вселенная была низвергнута в ряд фазовых переходов и образовала избыток вещества над антивеществом. На протяжении этой первичной эпохи Вселенная вообще не содержала никаких космических структур.

По истечении миллиона лет и многих стопок бумаги Корнелий достиг эпохи звезд - времени, когда звезды активно рождаются, проживают свои жизненные циклы и вырабатывают энергию посредством ядерных реакций. Эта яркая глава закрывается, когда в галактиках заканчивается водородный газ, прекращается образование звезд и медленно угасают самые долго живущие красные карлики.

Печатая без остановки, Корнелий вводит свою историю в эпоху распада, с ее коричневыми карликами, белыми карликами, нейтронными звездами и черными дырами. Посреди этой замерзшей пустыни темная материя медленно собирается внутри мертвых звезд и аннигилирует в излучение, которое питает космос. Распад протона выходит на сцену в конце этой главы, когда медленно утекает масса-энергия вырожденных остатков звезд, а жизнь, основанная на углероде, полностью вымирает.

Когда усталый автор продолжает свой труд, единственными героями его повествования остаются черные дыры. Но и черные дыры не могут жить вечно. Испуская слабый как никогда свет, эти темные объекты испаряются в ходе медленного квантово-механического процесса. В отсутствие другого источника энергии Вселенная вынуждена довольствоваться этим скудным количеством света. После испарения самых крупных черных дыр переходные сумерки эпохи черных дыр сдаются под натиском еще более глубокой черноты.

В начале заключительной главы у Корнелия заканчивается бумага, но не время. Во Вселенной больше нет звездных объектов, а только бесполезные продукты, оставшиеся от предыдущих космических катастроф. В эту холодную, темную и очень далекую эпоху вечной тьмы космическая деятельность заметно замедляется. Чрезвычайно низкие уровни энергии согласуются с огромными промежутками времени. После своей огненной юности и полного энергии среднего возраста теперешняя Вселенная медленно вползает в темноту.

По мере старения Вселенной ее характер постоянно меняется. На каждом этапе своей будущей эволюции Вселенная поддерживает удивительное разнообразие сложных физических процессов и другое интересное поведение. Наша биография Вселенной, от ее рождения во взрыве до долгого и постепенного скольжения в вечную тьму, основана на современном понимании законов физики и чудес астрофизики. Благодаря обширности и обстоятельности современной науки, это повествование представляет самое вероятное видение будущего, которое мы можем составить.

Когда мы обсуждаем обширный диапазон экзотического поведения Вселенной, возможного в будущем, читатель может подумать, что произойти может вообще все, что угодно. Но это не так. Несмотря на изобилие физических возможностей, на самом деле произойдет лишь крошечная доля теоретически возможных событий.

Прежде всего, на любое разрешенное поведение строгие ограничения накладывают законы физики. Должен соблюдаться закон сохранения общей энергии. Не должен нарушаться закон сохранения электрического заряда. Основной направляющей концепцией является второй закон термодинамики, который формально гласит, что общая энтропия физической системы должна возрастать. Грубо говоря, этот закон предполагает, что системы должны эволюционировать в состояния увеличения беспорядка. На практике второй закон термодинамики заставляет тепло переходить от горячих объектов к холодным, а не наоборот.

Но даже в рамках процессов, разрешенных законами физики, многие события, которые могли бы произойти в принципе, на деле никогда не происходят. Одна общая причина состоит в том, что они просто требуют слишком долгого времени, и первыми происходят другие процессы, которые их опережают. Хорошим примером этой тенденции служит процесс холодного синтеза. Как мы уже отмечали в связи с ядерными реакциями в недрах звезд, самым стабильным из всех возможных ядер является ядро железа. Множество более мелких ядер типа водорода или гелия отдали бы свою энергию, если бы могли объединиться в ядро железа. На другом конце периодической таблицы более крупные ядра типа урана тоже отдали бы свою энергию, если бы их можно было разделить на части, а из этих частей составить ядро железа. Железо представляет собой самое низкоэнергетическое состояние, доступное ядрам. Ядра стремятся к пребыванию в форме железа, но энергетические барьеры препятствуют тому, чтобы это преобразование могло легко произойти при большинстве условий. Чтобы преодолеть эти энергетические барьеры, как правило, нужны либо высокие температуры, либо продолжительные промежутки времени.

Рассмотрим большой кусок твердого вещества типа камня или, быть может, планеты. Структура этого твердого тела не изменяется благодаря обычным электромагнитным силам, вроде тех, что участвуют в химической связи. Вместо сохранения своего исходного ядерного состава вещество, в принципе, могло бы перегруппироваться так, чтобы все его атомные ядра превратились в железо. Чтобы произошла подобная реструктуризация вещества, ядра должны преодолеть электрические силы, удерживающие это вещество в том виде, в каком оно существует, и электрические силы отталкивания, с которыми ядра действуют друг на друга. Эти электрические силы создают сильный энергетический барьер, во многом напоминающий барьер, изображенный на рис. 23. Из-за этого барьера ядра должны перегруппировываться посредством квантово-механического туннелирования (как только ядра проникают через барьер, сильное притяжение инициирует синтез). Таким образом, наш кусок вещества выказал бы ядерную активность. При наличии достаточного времени весь камень или вся планета превратились бы в чистое железо.

Сколько времени заняла бы подобная реструктуризация ядер? Ядерная активность такого типа преобразовала бы ядра камня в железо примерно за пятнадцать сотен космологических декад. Если бы произошел этот ядерный процесс, в космос была бы испущена избыточная энергия, потому что ядра железа соответствуют более низкому энергетическому состоянию. Однако этот процесс холодного ядерного синтеза никогда не будет доведен до конца. Он даже никогда по-настоящему не начнется. Все протоны, составляющие ядра, распадутся на меньшие частицы много раньше, чем ядра преобразуются в железо. Даже самое длинное возможное время жизни протона составляет менее двухсот космологических декад - много короче огромного промежутка времени, необходимого для холодного синтеза. Другими словами, ядра распадутся прежде, чем у них появится шанс превратиться в железо.

Другой физический процесс, требующий слишком долгого времени, чтобы считаться важным для космологии, - это туннелирование вырожденных звезд в черные дыры. Поскольку черные дыры - это самые низкоэнергетические состояния, доступные звездам, вырожденный объект типа белого карлика имеет большую энергию, чем черная дыра той же массы. Таким образом, если бы белый карлик мог самопроизвольно преобразоваться в черную дыру, он высвободил бы лишнюю энергию. Однако обычно подобного преобразования не происходит из-за энергетического барьера, создаваемого давлением вырожденного газа, который поддерживает существование белого карлика.

Несмотря на энергетический барьер, белый карлик мог бы преобразоваться в черную дыру посредством квантово-механического туннелирования. Из-за принципа неопределенности все частицы (10 57 или около того), составляющие белый карлик, могли бы оказаться в пределах столь малого пространства, что образовали бы черную дыру. Однако это случайное событие требует чрезвычайно длительного времени - порядка 10 76 космологических декад. Преувеличить воистину огромный размер 10 76 космологических декад - невозможно. Если этот необъятно большой промежуток времени записать в годах, получится единица с 10 76 нулями. Мы могли бы даже не начинать записывать это число в книге: оно имело бы порядка одного нуля на каждый протон в видимой современной Вселенной, плюс-минус пару порядков величины. Нет нужды говорить, что протоны распадутся и белые карлики исчезнут задолго до того, как Вселенная достигнет 10 76 -й космологической декады.

Хотя многие события фактически невозможны, остается обширный диапазон теоретических возможностей. Самые обширные категории будущего поведения космоса основаны на том, является ли Вселенная открытой, плоской или замкнутой. Открытая или плоская Вселенная будет расширяться вечно, тогда как замкнутая Вселенная переживет повторное сжатие по истечении некоторого определенного времени, которое зависит от исходного состояния Вселенной. Однако рассматривая более спекулятивные возможности, мы обнаруживаем, что будущая эволюция Вселенной может оказаться гораздо сложнее, чем предполагает эта простая классификационная схема.

Основная проблема состоит в том, что мы можем производить имеющие физический смысл измерения и, следовательно, делать определенные заключения только в отношении местной области Вселенной - части, ограниченной современным космологическим горизонтом. Мы можем измерить общую плотность Вселенной внутри этой местной области, диаметр которой составляет около двадцати миллиардов световых лет. Но измерения плотности в пределах этого местного объема, увы, не определяют долгосрочную судьбу Вселенной в целом, т. к. наша Вселенная может быть намного больше.

Предположим, к примеру, что нам удалось бы измерить, что космологическая плотность превышает значение, необходимое для замыкания Вселенной. Мы пришли бы к экспериментальному заключению, что в будущем наша Вселенная должна пережить повторное сжатие. Вселенную явно отправили бы через ускоряющуюся последовательность природных катаклизмов, ведущих к Большому сжатию, описанному в следующем разделе. Но это далеко не все. Наша местная область Вселенной - та часть, которая, по нашим наблюдениям, является замкнутой в данном сценарии мнимого армагеддона, - могла бы оказаться вложенной в гораздо большую область с гораздо меньшей плотностью. В этом случае сжатие пережила бы только некоторая часть всей Вселенной. Оставшаяся же часть, охватывающая, быть может, большую часть Вселенной, могла продолжить бесконечно расширяться.

Читатель, возможно, с нами не согласится и скажет, что от подобного усложнения мало толку: нашей собственной части Вселенной все равно суждено пережить повторное сжатие. Наш мир все равно не избежит разрушения и гибели. И все же этот беглый взгляд на большую картину существенно изменяет нашу перспективу. Если большая Вселенная выживет как единое целое, гибель нашей местной области не является такой уж трагедией. Мы не станем отрицать, что разрушение одного города на Земле, скажем из-за землетрясения, - событие страшное, но все же оно далеко не так ужасно, как полное уничтожение всей планеты. Точно так же, утрата одной маленькой части целой Вселенной не так разорительна, как потеря всей Вселенной. Сложные физические, химические и биологические процессы все равно могут развернуться в далеком будущем, где-то во Вселенной. Разрушение нашей местной Вселенной могло бы стать лишь еще одной катастрофой из целого ряда астрофизических бедствий, который, возможно, принесет будущее: гибель нашего Солнца, конец жизни на Земле, испарение и рассеяние нашей Галактики, распад протонов, а следовательно, разрушение всего обычного вещества, испарение черных дыр и т. д.

Выживание большей Вселенной предоставляет возможность для спасения: либо реального путешествия на далекие расстояния, либо заменяющего его избавления посредством передачи информации через световые сигналы. Этот спасительный путь может оказаться сложным или даже запрещенным: все зависит от того, каким образом замкнутая область нашего местного пространства-времени сочетается с большей областью Вселенной. Однако тот факт, что жизнь может продолжиться где-то еще, позволяет не умереть надежде.

Если произойдет повторное сжатие нашей местной области, времени на то, чтобы в нашей части Вселенной произошли все астрономические события, описанные в этой книге, может не хватить. Однако в конечном итоге эти процессы все равно произойдут в каком-то другом месте Вселенной - далеко от нас. Сколько времени у нас есть до повторного сжатия местной части Вселенной - зависит от плотности местной части. Хотя современные астрономические измерения свидетельствуют о том, что ее плотность мала настолько, что наша местная часть Вселенной не схлопнется вообще, в темноте может скрываться дополнительная невидимая материя. Максимально возможное разрешенное значение местной плотности примерно в два раза превышает значение, необходимое для того, чтобы местная часть Вселенной была замкнутой. Но даже с этой максимальной плотностью Вселенная не может начать сжиматься до истечения, по меньшей мере, двадцати миллиардов лет. Это временное ограничение дало бы нам отсрочку местной версии Большого сжатия, по меньшей мере, еще в пятьдесят миллиардов лет.

Может возникнуть также и противоположный набор обстоятельств. Наша местная часть Вселенной может продемонстрировать относительно низкую плотность и, следовательно, получить право на вечную жизнь. Однако этот местный клочок пространства-времени может быть вложен в гораздо большую область с гораздо более высокой плотностью. В этом случае, когда наш местный космологический горизонт станет достаточно большим, чтобы включить большую область с более высокой плотностью, наша местная вселенная станет частью большей Вселенной, которой суждено пережить повторное сжатие.

Этот сценарий разрушения требует, чтобы наша местная Вселенная имела почти плоскую космологическую геометрию, потому что только в таком случае скорость расширения продолжает постоянно падать. Почти плоская геометрия позволяет все большим и большим областям метамасштабной Вселенной (большой картины Вселенной) воздействовать на местные события. Эта большая окружающая область просто должна быть плотной ровно настолько, чтобы в конечном итоге пережить повторное сжатие. Она должна прожить достаточно долго (то есть не схлопнуться слишком рано), чтобы наш космологический горизонт мог разрастись до требуемого крупного масштаба.

Если эти идеи реализуются в космосе, то наша местная вселенная - это совсем не «то же самое», что и много большая область Вселенной, которая ее поглощает. Таким образом, на достаточно больших расстояниях явно нарушался бы космологический принцип: Вселенная не была бы одинаковой в каждой точке пространства (однородной) и необязательно одинаковой во всех направлениях (изотропной). Подобная потенциальная возможность вовсе не сводит на нет использование нами космологического принципа для изучения истории прошлого (как в теории Большого взрыва), так как Вселенная явно однородна и изотропна в пределах нашей местной области пространства-времени, радиус которой в настоящее время составляет около десяти миллиардов световых лет. Любые потенциально возможные отклонения от однородности и изотропности относятся к большим размерам, а значит, могут проявиться только в будущем.

Как ни странно, мы можем наложить ограничения на природу той большей области Вселенной, которая в настоящее время находится за пределами нашего космологического горизонта. Согласно измерениям космическое фоновое излучение является чрезвычайно однородным. Однако большие отличия в плотности Вселенной, даже если бы они находились за пределами космологического горизонта, непременно вызвали бы пульсации в этом однородном фоновом излучении. Так что отсутствие значительных пульсаций говорит о том, что любые предполагаемые значительные возмущения плотности должны находиться очень далеко от нас. Но если большие возмущения плотности находятся далеко, то наша местная область Вселенной может прожить достаточно долго, прежде чем встретится с ними. Самый ранний возможный момент, когда большие различия в плотности окажут свое влияние на нашу часть Вселенной, наступит приблизительно через семнадцать космологических декад. Но, скорее всего, это изменяющее Вселенную событие произойдет гораздо позднее. Согласно большинству версий теории инфляционной Вселенной наша Вселенная останется однородной и почти плоской на протяжении сотен и даже тысяч космологических декад.

Если Вселенная (или ее часть) замкнута, то гравитация одержит победу над расширением и начнется неизбежное сжатие. Такая Вселенная, переживающая повторный коллапс, завершила бы свой жизненный путь в огненной развязке, известной как Большое сжатие . Многие превратности, размечающие последовательность времени сжимающейся Вселенной, впервые рассмотрел сэр Мартин Рис, ныне королевский астроном Англии. Когда Вселенная будет ввергнута в этот грандиозный финал, недостатка в катастрофах не будет.

И хотя Вселенная, скорее всего, будет расширяться вечно, мы более или менее уверены в том, что плотность Вселенной не превышает удвоенного значения критической плотности. Зная эту верхнюю границу, мы можем утверждать, что минимально возможное время, оставшееся до коллапса Вселенной в Большом сжатии, составляет около пятидесяти миллиардов лет. Судный День по-прежнему очень далек по любым человеческим меркам времени, так что арендную плату, наверное, стоит продолжать вносить регулярно.

Предположим, что через двадцать миллиардов лет, достигнув максимального размера, Вселенная действительно переживает повторное сжатие. В то время Вселенная будет примерно в два раза больше, чем сегодня. Температура фонового излучения составит около 1,4 градуса Кельвина: вполовину меньше сегодняшнего значения. После того как Вселенная остынет до этой минимальной температуры, последующий коллапс нагреет ее при стремительном движении к Большому сжатию. Попутно, в процессе этого сжатия будут разрушены все структуры, созданные Вселенной: скопления, галактики, звезды, планеты и даже сами химические элементы.

Приблизительно через двадцать миллиардов лет после начала повторного сжатия Вселенная вернется к размеру и плотности современной Вселенной. А в промежуточные сорок миллиардов лет Вселенная движется вперед, имея примерно один и тот же вид крупномасштабной структуры. Звезды продолжают рождаться, эволюционировать и умирать. Небольшие звезды, сберегающие топливо, вроде нашего близкого соседа Проксима Центавры, не имеют достаточно времени, чтобы пережить сколько-нибудь значительную эволюцию. Некоторые галактики сталкиваются и сливаются в пределах их родительских скоплений, но большинство из них сохраняется в практически неизменном виде. Отдельной галактике требуется куда больше сорока миллиардов лет, чтобы изменить свою динамическую структуру. Обращая закон расширения по Хабблу, некоторые галактики станут приближаться к нашей галактике, вместо того чтобы удаляться от нее. И только эта любопытная тенденция к смещению в голубую часть спектра позволит астрономам мельком увидеть надвигающуюся катастрофу.

Отдельные скопления галактик, рассеянные в необъятном пространстве и свободно связанные в комья и нити, останутся в целости и сохранности до тех пор, пока Вселенная не сожмется до размера в пять раз меньше, чем сегодня. В момент этого гипотетического будущего соединения скопления галактик сливаются. В сегодняшней Вселенной скопления галактик занимают всего около одного процента объема. Однако как только Вселенная сжимается до пятой части ее сегодняшнего размера, скопления заполняют фактически все пространство. Таким образом, Вселенная станет одним гигантским скоплением галактик, но сами галактики в эту эпоху, тем не менее, сохранят свою индивидуальность.

По мере продолжения сжатия Вселенная очень скоро станет в сто раз меньше, чем сегодня. На этом этапе средняя плотность Вселенной будет равна средней плотности галактики. Галактики перекроют друг друга, и отдельные звезды уже не будут принадлежать какой-либо конкретной галактике. Тогда вся Вселенная превратится в одну гигантскую галактику, наполненную звездами. Фоновая температура Вселенной, создаваемая космическим фоновым излучением, вырастает до 274 градусов Кельвина, приближаясь к точке таяния льда. Из-за увеличивающегося сжатия событий после этой эпохи продолжать рассказ гораздо удобнее с позиций противоположного конца временной шкалы: времени, остающегося до Большого сжатия. Когда температура Вселенной достигает точки таяния льда, у нашей Вселенной остается десять миллионов лет будущей истории.

До этого момента жизнь на планетах земного типа продолжается достаточно независимо от происходящей вокруг эволюции космоса. На самом деле, теплота неба в конечном итоге растопит замороженные объекты типа Плутона, дрейфующие по периферии каждой солнечной системы, и предоставит последний мимолетный шанс на расцвет во Вселенной жизни. Эта относительно короткая последняя весна завершится по мере дальнейшего повышения температуры фонового излучения. С исчезновением жидкой воды по всей Вселенной более или менее одновременно происходит массовое вымирание всего живого. Океаны выкипают, а ночное небо становится ярче, чем дневное небо, видимое нами с Земли сегодня. Когда до финального сжатия остается лишь шесть миллионов лет, любые выжившие формы жизни должны либо оставаться глубоко в недрах планет, либо развить продуманные и эффективные механизмы охлаждения.

После окончательного разрушения сначала скоплений, а потом и самих галактик следующими на линии огня оказываются звезды. Если бы не случилось ничего другого, звезды, рано или поздно, столкнулись бы и разрушили друг друга перед лицом продолжающегося и всеразрушающего сжатия. Однако столь жестокая судьба обойдет их стороной, потому что звезды разрушатся более постепенным образом задолго до того, как Вселенная станет достаточно плотной, чтобы произошли звездные столкновения. Когда температура непрерывно сжимающегося фонового излучения превышает температуру поверхности звезды, равную от четырех до шести тысяч градусов Кельвина, поле излучения может значительно изменить строение звезд. И хотя в недрах звезд продолжаются ядерные реакции, их поверхности испаряются под действием очень сильного внешнего поля излучения. Таким образом, основной причиной разрушения звезд служит фоновое излучение.

Когда начинают испаряться звезды, размер Вселенной примерно в две тысячи раз меньше сегодняшнего. В эту бурную эпоху ночное небо выглядит таким же ярким, как поверхность Солнца. Краткостью оставшегося времени сложно пренебречь: сильнейшее излучение сжигает любые сомнения в том, что до конца остается менее миллиона лет. Любые астрономы, у которых хватит технологической смекалки, чтобы дожить до этой эпохи, возможно, с покорным изумлением вспомнят, что наблюдаемый ими бурлящий котел Вселенной - звезды, застывшие на небосклоне ярком, как Солнце, - есть не что иное, как возвращение парадокса Ольберса о бесконечно старой и статической Вселенной.

Любые ядра звезд, или коричневые карлики, дожившие до этой эпохи испарения, будут самым бесцеремонным образом разорваны на куски. Когда температура фонового излучения достигнет десяти миллионов градусов Кельвина, что сравнимо с современным состоянием центральных областей звезд, любое оставшееся ядерное топливо может воспламениться и привести к сильнейшему и эффектнейшему взрыву. Таким образом, звездные объекты, которые умудрятся пережить испарение, внесут свой вклад в общую атмосферу конца света, превратившись в фантастические водородные бомбы.

Планеты в сжимающейся Вселенной разделят участь звезд. Гигантские газовые шары, вроде Юпитера и Сатурна, испаряются гораздо легче звезд и оставляют после себя лишь центральные ядра, неотличимые от планет земного типа. Любая жидкая вода уже давным-давно испарилась с поверхностей планет, а совсем скоро ее примеру последуют также их атмосферы. Остаются только голые и бесплодные пустыри. Каменистые поверхности плавятся, и слои жидкого камня постепенно утолщаются, в конечном итоге, захватывая всю планету. Гравитация удерживает гибнущие расплавленные остатки от разлетания, а они создают тяжелые силикатные атмосферы, которые, в свою очередь, утекают в космическое пространство. Испаряющиеся планеты, окунаясь в ослепительное пламя, исчезают без следа.

Когда планеты покидают сцену, атомы межзвездного пространства начинают распадаться на составляющие их ядра и электроны. Фоновое излучение становится настолько сильным, что фотоны (частицы света) получают достаточную энергию, чтобы высвободить электроны. В результате этого в последние несколько сотен тысяч лет атомы прекращают свое существование и вещество распадается на заряженные частицы. Фоновое излучение сильно взаимодействует с этими заряженными частицами, в силу чего вещество и излучение тесно переплетаются. Космические фоновые фотоны, которые беспрепятственно путешествовали на протяжении почти шестидесяти миллиардов лет с момента рекомбинации, попадают на поверхность их «следующего» рассеивания.

Рубикон перейден, когда Вселенная сжимается до одной десятитысячной ее настоящего размера. На этом этапе плотность излучения превышает плотность вещества - так было только сразу после Большого взрыва. Во Вселенной снова начинает доминировать излучение. Из-за того что вещество и излучение ведут себя по-другому, поскольку претерпели сжатие, дальнейшее сжатие немного изменяется, когда Вселенная переживает этот переход. Осталось всего десять тысяч лет.

Когда до финального сжатия остается лишь три минуты, начинают распадаться атомные ядра. Этот распад продолжается до последней секунды, к которой разрушатся все свободные ядра. Эта эпоха антинуклеосинтеза весьма существенно отличается от бурного нуклеосинтеза, произошедшего в первые несколько минут первичной эпохи. В первые несколько минут истории космоса образовались только самые легкие элементы, главным образом, водород, гелий и чуть-чуть лития. В последние же несколько минут в космосе присутствуют самые разнообразные тяжелые ядра. Ядра железа удерживают самые прочные связи, поэтому их распад требует самой большой энергии на частицу. Однако сжимающаяся Вселенная создает все более высокие температуры и энергии: рано или поздно в этой безумно разрушительной среде погибнут даже ядра железа. В последнюю секунду жизни Вселенной в ней не остается ни одного химического элемента. Протоны и нейтроны вновь становятся свободными - как и в первую секунду истории космоса.

Если в эту эпоху во Вселенной остается хоть какая-то жизнь, момент разрушения ядер становится той чертой, из-за которой не возвращаются. После этого события во Вселенной не останется ничего, что хотя бы отдаленно напоминало основанную на углероде земную жизнь. Во Вселенной не останется углерода. Любой организм, которому удастся пережить распад ядер, должен принадлежать к воистину экзотическому виду. Быть может, увидеть последнюю секунду жизни Вселенной смогли бы существа, в основе которых лежит сильное взаимодействие.

Последняя секунда во многом напоминает фильм о Большом взрыве, показанный задом наперед. После распада ядер, когда от гибели Вселенную отделяет всего одна микросекунда, распадаются сами протоны и нейтроны, и Вселенная превращается в море свободных кварков. По мере продолжения сжатия Вселенная становится более горячей и плотной, и в ней, судя по всему, изменяются законы физики. Когда Вселенная достигает температуры примерно в 10 15 градусов Кельвина, слабое ядерное взаимодействие и электромагнитная сила объединяются в электрослабое взаимодействие. Это событие является своего рода космологическим фазовым переходом, отдаленно напоминающим превращение льда в воду. Когда мы подходим к более высоким энергиям, приближаясь к концу времени, мы удаляемся от прямых экспериментальных подтверждений, в силу чего повествование, хотим мы того или нет, становится более спекулятивным. И все же мы продолжаем. Как никак, у Вселенной осталось еще 10 -11 секунд истории.

Следующий важный переход происходит, когда сильное взаимодействие объединяется с электрослабым. Это событие, называемое великим объединением , объединяет три из четырех фундаментальных сил природы: сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнитную силу. Это объединение происходит при невероятно высокой температуре, равной 10 28 градусам Кельвина, когда Вселенной остается жить всего 10 -37 секунд.

Последнее важное событие, которое мы можем отметить в нашем календаре, - это объединение гравитации с тремя остальными силами. Это ключевое событие происходит, когда сжимающаяся Вселенная достигает температуры примерно в 10 32 градусов Кельвина и до Большого сжатия остается всего 10 -43 секунд. Эту температуру или энергию обычно называют величиной Планка . К сожалению, ученые не располагают самосогласованной физической теорией для такого масштаба энергий, где все четыре фундаментальные силы природы объединяются в одно целое. Когда в ходе повторного сжатия происходит это объединение четырех сил, наше современное понимание законов физики утрачивает свою адекватность. Что произойдет дальше - нам не известно.

Посмотрев на события невозможные и невероятные, остановимся на самом экстраординарном событии, которое произошло, - зарождении жизни. Наша Вселенная - довольно удобное место для жизни, как знаем ее мы. На самом деле, важную роль в ее развитии играют все четыре астрофизических окна. Планеты, самое малое окно астрономии, служат для жизни домом. Они предоставляют «чашки Петри», в которых может возникнуть и эволюционировать жизнь. Важность звезд также очевидна: они являются источником энергии, необходимой для биологической эволюции. Вторая фундаментальная роль звезд состоит в том, что они, подобно алхимикам, образуют элементы, тяжелее гелия: углерод, кислород, кальций и другие ядра, из которых состоят известные нам формы жизни.

Чрезвычайно важны также галактики, хоть это и не столь очевидно. Без связующего влияния галактик тяжелые элементы, производимые звездами, рассеялись бы по всей Вселенной. Эти тяжелые элементы суть неотъемлемые строительные кирпичики, из которых состоят как планеты, так и все формы жизни. Галактики с их большими массами и сильным гравитационным притяжением, удерживают от разлетания химически обогащенный газ, оставшийся после гибели звезд. Впоследствии этот ранее обработанный газ включается в будущие поколения звезд, планет и людей. Таким образом, гравитационное притяжение галактик обеспечивает легкую доступность тяжелых элементов для последующих поколений звезд и для образования каменистых планет типа нашей Земли.

Если говорить о самых больших расстояниях, то сама Вселенная должна обладать нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. И хотя у нас нет ничего хотя бы отдаленно напоминающего полное понимание жизни и ее эволюции, относительно определенным является одно базовое требование: на это уходит много времени. Появление человека заняло около четырех миллиардов лет на нашей планете, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная, в целом, должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развитие жизни, по крайней мере, в случае биологии, хотя бы смутно напоминающей нашу.

Свойства нашей Вселенной в целом также позволяют обеспечить химическую среду, благоприятствующую развитию жизни. Хотя более тяжелые элементы вроде углерода и кислорода синтезируются в звездах, водород тоже является жизненно важным компонентом. Он входит в состав двух из трех атомов воды, H 2 O, - важной составляющей жизни на нашей планете. Рассматривая огромный ансамбль возможных вселенных и их возможных свойств, мы замечаем, что в результате первичного нуклеосинтеза весь водород мог быть переработан в гелий и даже более тяжелые элементы. Или Вселенная могла расшириться так быстро, что протоны и электроны так и не встретились бы, чтобы образовать атомы водорода. Как бы там ни было, Вселенная могла бы закончиться, так и не создав атомы водорода, составляющие молекулы воды, без которой не было бы обычной жизни.

Принимая во внимание эти соображения, становится ясно, что наша Вселенная действительно имеет нужные особенности, позволяющие наше существование. При данных законах физики, определенных значениями физических постоянных, величинами фундаментальных сил и массами элементарных частиц, наша Вселенная естественным образом создает галактики, звезды, планеты и жизнь. Если бы физические законы имели немного другой вид, наша Вселенная могла бы быть совершенно непригодна для проживания и крайне бедна астрономически.

Проиллюстрируем требуемую тонкую настройку нашей Вселенной чуть более подробно. Галактики, один из астрофизических объектов, необходимых для жизни, образуются, когда гравитация одерживает верх над расширением Вселенной и провоцирует сжатие местных областей. Если бы сила гравитации была гораздо слабее или скорость космологического расширения гораздо быстрее, то к настоящему моменту в космосе не было бы ни одной галактики. Вселенная продолжала бы рассеиваться, но не содержала бы ни одной гравитационно связанной структуры, по крайней мере, на данный момент истории космоса. С другой стороны, если бы сила гравитации имела гораздо большую величину или скорость расширения космоса была бы гораздо ниже, то вся Вселенная вновь коллапсировала бы в Большом сжатии задолго до начала образования галактик. В любом случае в нашей современной Вселенной жизни бы не было. Значит, интересный случай Вселенной, заполненной галактиками и прочими крупномасштабными структурами, требует достаточно тонкого компромисса между силой гравитации и скоростью расширения. И наша Вселенная реализовала именно такой компромисс.

Что касается звезд, то здесь требуемая тонкая настройка физической теории сопряжена с еще более жесткими условиями. Реакции термоядерного синтеза, протекающие в звездах, выполняют две ключевые роли, необходимые для эволюции жизни: образование энергии и производство тяжелых элементов типа углерода и кислорода. Чтобы звезды сыграли отведенную им роль, они должны жить на протяжении долгого времени, достигнуть достаточно высоких центральных температур и быть достаточно распространенными. Чтобы все эти составляющие головоломки встали на свои места, Вселенная должна быть наделена обширным диапазоном особых свойств.

Наверное, самый понятный пример может предоставить нам ядерная физика. Реакции термоядерного синтеза и ядерная структура зависят от величины сильного взаимодействия. Атомные ядра существуют как связанные структуры, потому что сильное взаимодействие способно удерживать протоны рядом друг с другом, даже несмотря на то, что сила электрического отталкивания положительно заряженных протонов стремится разорвать ядро. Если бы сильное взаимодействие было чуть-чуть слабее, то тяжелых ядер попросту не было бы. Тогда во Вселенной не было бы углерода, а следовательно, и тех форм жизни, в основе которых лежит углерод. С другой стороны, если бы сильное ядерное взаимодействие было еще сильнее, тогда два протона могли бы объединиться в пары, называемые дипротонами. В этом случае сильное взаимодействие было бы таким сильным, что все протоны во Вселенной объединились бы в дипротоны или даже в еще более крупные ядерные структуры, и обычного водорода просто не осталось бы. В отсутствие водорода во Вселенной не было бы воды, а следовательно, и известных нам форм жизни. К счастью для нас, наша Вселенная имеет как раз нужную величину сильного взаимодействия, чтобы разрешить водород, воду, углерод и прочие необходимые составляющие жизни.

Аналогичным образом, имей слабое ядерное взаимодействие совсем другую силу, это значительно повлияло бы на звездную эволюцию. Если бы слабое взаимодействие было гораздо сильнее, например, по сравнению с сильным взаимодействием, то ядерные реакции в недрах звезд протекали бы с гораздо большими скоростями, в силу чего значительно сократилась бы продолжительность жизни звезд. Также пришлось бы поменять и название слабого взаимодействия. В этом вопросе у Вселенной имеется некоторая отсрочка, обусловленная диапазоном звездных масс - небольшие звезды живут дольше и могут использоваться для управления биологической эволюцией вместо нашего Солнца. Однако давление вырожденного газа (из квантовой механики) не позволяет звездам сжигать водород, как только их масса становится слишком маленькой. Таким образом, серьезно уменьшилась бы даже продолжительность жизни самых долго живущих звезд. Как только максимальное время жизни звезды падает ниже отметки в миллиард лет, развитие жизни тут же попадает под угрозу. Фактическое значение слабого взаимодействия в миллионы раз меньше сильного, благодаря чему Солнце сжигает свой водород медленно и непринужденно, что и требуется для эволюции жизни на Земле.

Далее следует рассмотреть планеты - самые маленькие астрофизические объекты, необходимые для жизни. Образование планет требует от Вселенной производства тяжелых элементов, а следовательно, - тех же ядерных ограничений, что уже описывались выше. Кроме того, существование планет требует, чтобы фоновая температура Вселенной была достаточно мала для конденсации твердых тел. Если бы наша Вселенная была всего в шесть раз меньше, чем сейчас, и, следовательно, в тысячу раз горячее, то испарились бы частицы межзвездной пыли и для образования каменистых планет попросту не было бы сырья. В этой горячей гипотетической Вселенной в крайне подавленном состоянии оказалось бы даже формирование гигантских планет. К счастью, наша Вселенная достаточно прохладна, чтобы позволить образование планет.

Другим соображением служит долгосрочная стабильность Солнечной системы непосредственно с момента ее образования. В нашей современной Галактике как взаимодействия, так и сближения звезд одновременно редки и слабы из-за очень низкой плотности звезд. Если бы наша Галактика содержала такое же количество звезд, но была в сто раз меньше, повышенная плотность звезд привела бы к достаточно высокой вероятности вхождения в нашу Солнечную систему какой-то другой звезды, которая разрушила бы орбиты планет. Подобное космическое столкновение могло бы изменить орбиту Земли и сделать нашу планету необитаемой или вообще выбросить Землю из Солнечной системы. В любом случае такой катаклизм означал бы конец жизни. К счастью, в нашей Галактике предполагаемое время, по истечении которого наша Солнечная система переживет столкновение, изменяющее ее курс, намного превышает время, необходимое для развития жизни.

Мы видим, что долго живущая Вселенная, которая содержит галактики, звезды и планеты, требует достаточно специальный набор величин фундаментальных постоянных, определяющих значения основных сил. Таким образом, эта требуемая тонкая настройка поднимает базовый вопрос: почему же наша Вселенная имеет именно эти конкретные свойства, в конечном итоге порождающие жизнь? Ведь тот факт, что физические законы именно таковы, чтобы позволить наше существование, - это воистину замечательное совпадение. Создается впечатление, будто Вселенная каким-то образом знала о нашем грядущем появлении. Конечно, если бы условия сложились как-то иначе, нас просто здесь не было бы и некому было бы размышлять над данным вопросом. Однако вопрос «Почему?» от этого никуда не исчезает.

Понимание того, почему физические законы именно такие, какие они есть, подводит нас к границе развития современной науки. Предварительные объяснения уже выдвигались, однако вопрос по-прежнему остается открытым. Поскольку наука двадцатого столетия обеспечила хорошее рабочее понимание того, что есть наши законы физики, мы можем надеяться, что наука века двадцать первого даст нам понимание того, почему физические законы имеют именно такой вид. Некоторые намеки в этом направлении уже начинают появляться, как мы сейчас увидим.

Это кажущееся совпадение (что Вселенная имеет как раз те особые свойства, которые позволяют зарождение и эволюцию жизни) кажется куда менее чудесным, если принять, что наша Вселенная - область пространства-времени, с которой мы связаны, - это всего лишь одна из бесчисленного множества других вселенных. Другими словами, наша Вселенная - это лишь малая часть мультиверса - огромного ансамбля вселенных, каждая из которых имеет свои собственные варианты законов физики. В этом случае полная совокупность вселенных реализовала бы все многочисленные возможные варианты законов физики. Жизнь, однако, разовьется только в тех частных вселенных, которые имеют нужный вариант физических законов. Тогда тот факт, что нам случилось жить во Вселенной с нужными для жизни свойствами, становится очевидным.

Проясним разницу между «другими вселенными» и «другими частями» нашей Вселенной. Крупномасштабная геометрия пространства-времени может быть очень сложной. В настоящее время мы живем в однородном кусочке Вселенной, диаметральный размер которого составляет около двадцати миллиардов световых лет. Эта область представляет собой часть пространства, которое может оказывать на нас причинное воздействие в данное время. По мере продвижения Вселенной в будущее область пространства-времени, способная на нас повлиять, будет увеличиваться. В этом смысле по мере старения наша Вселенная будет содержать больше пространства-времени. Однако могут существовать и другие области пространства-времени, которые никогда не окажутся в причинной связи с нашей частью Вселенной, сколь бы долго мы ни ждали и какой бы старой ни стала наша Вселенная. Эти другие области растут и эволюционируют совершенно независимо от физических событий, которые происходят в нашей Вселенной. Такие области принадлежат к другим вселенным.

Как только мы допускаем возможность существования других вселенных, тот набор совпадений, который имеется в нашей Вселенной, выглядит куда более приятным. Но действительно ли эта концепция существования других вселенных имеет такой смысл? Возможно ли естественным образом разместить множественные вселенные в рамках теории Большого взрыва, например, или хотя бы ее разумных расширений? Как ни странно, ответом служит решительное «да».

Андрей Линде, выдающийся русский космолог, в настоящее время работающий в Стэнфорде, ввел понятие вечной инфляции . Грубо говоря, эта теоретическая идея означает, что во все времена какая-нибудь область пространства-времени, расположенная где-то в мультиверсе, переживает инфляционную фазу расширения. Согласно этому сценарию пространственно-временная пена посредством механизма инфляции непрерывно рождает новые вселенные (как уже обсуждалось в первой главе). Некоторая часть этих инфляционно расширяющихся областей эволюционируют в интересные вселенные вроде нашего собственного местного клочка пространства-времени. Они имеют физические законы, управляющие образованием галактик, звезд и планет. В некоторых из этих областей может даже развиться разумная жизнь.

Эта идея имеет как физический смысл, так и значительную внутреннюю привлекательность. Даже если нашей Вселенной, нашей собственной местной области пространства-времени, суждено умереть медленной и мучительной смертью, вокруг всегда будут другие вселенные. Всегда будет существовать что-то еще. Если мультиверс рассматривать с большей перспективы, охватывающей весь ансамбль вселенных, то его можно считать воистину вечным.

Эта картина космической эволюции изящно обходит один из самых неприятных вопросов, возникающих в космологии двадцатого века: если Вселенная зародилась в Большом взрыве, произошедшем всего десять миллиардов лет назад, что было до этого Большого взрыва? Этот трудный вопрос о том, «что было, когда еще ничего не было», служит границей между наукой и философией, между физикой и метафизикой. Мы можем экстраполировать физический закон назад во времени до того момента, когда Вселенной было всего 10 -43 секунды, хотя по мере приближения к этому моменту будет расти неопределенность наших знаний, а более ранние эпохи вообще недоступны для современных научных методов. Однако наука не стоит на месте, и в этой области уже начинает появляться кое-какой прогресс. В рамках более широкого контекста, который обеспечивает концепция мультиверса и вечной инфляции, мы действительно можем сформулировать ответ: до Большого взрыва существовала (и по сей день существует!) пенистая область высокоэнергетического пространства-времени. Из этой космической пены какие-то десять миллиардов лет назад родилась наша собственная Вселенная, которая сегодня продолжает эволюционировать. Подобным образом постоянно продолжают рождаться другие вселенные, и этот процесс может происходить бесконечно. Правда, этот ответ остается немного неясным и, возможно, несколько неудовлетворительным. Тем не менее физика уже дошла до такого состояния, когда мы можем хотя бы начать обращаться к этому давно стоящему вопросу.

При наличии концепции мультиверса мы получаем следующий уровень революции Коперника. Так же, как наша планета не имеет особенного места в нашей Солнечной системе, а наша Солнечная система - особого статуса во Вселенной, так и наша Вселенная не имеет особого места в гигантской космической смеси вселенных, составляющих мультиверс.

Пространство-время нашей Вселенной становится все более сложным по мере ее старения. В самом начале, сразу после Большого взрыва, наша Вселенная была очень гладкой и однородной. Такие начальные условия были необходимы, чтобы Вселенная эволюционировала в свою современную форму. Однако по мере эволюции Вселенной в результате галактических и звездных процессов образуются черные дыры, пронизывающие пространство-время своими внутренними сингулярностями. Таким образом, черные дыры создают то, что можно считать дырами в пространстве-времени. В принципе, эти сингулярности также могут обеспечить связь с другими вселенными. Может случиться и так, что в сингулярности черной дыры зародятся новые вселенные - вселенные-дети, о которых мы рассказывали в пятой главе. В этом случае наша Вселенная может породить новую вселенную, связанную с нашей через черную дыру.

Если данную цепочку рассуждений проследить до ее логического конца, возникает чрезвычайно интересный сценарий эволюции вселенных в мультиверсе. Если вселенные могут рождать новые вселенные, то в физической теории могут появиться концепции наследственности, мутаций и даже естественного отбора. Такую концепцию эволюции отстаивал Ли Смолин - физик, специалист по общей теории относительности и квантовой теории поля.

Предположим, что сингулярности внутри черных дыр могут рождать другие вселенные, как это происходит в случае с зарождением новых вселенных, о котором мы говорили в предыдущей главе. По мере развития эти другие вселенные обычно утрачивают причинную связь с нашей собственной Вселенной. Однако эти новые вселенные остаются связанными с нашей через сингулярность, расположенную в центре черной дыры. - Теперь допустим, что законы физики в этих новых вселенных похожи на законы физики в нашей Вселенной, но не абсолютно. На практике это утверждение означает, что физические постоянные, величины фундаментальных сил и массы частиц имеют похожие, но не эквивалентные значения. Другими словами, новая вселенная наследует комплект физических законов от материнской вселенной, но эти законы могут немного отличаться, что весьма напоминает мутации генов при воспроизводстве флоры и фауны Земли. В этой космологической обстановке рост и поведение новой вселенной будет напоминать, но не абсолютно точно, эволюцию исходной материнской вселенной. Таким образом, эта картина наследственности вселенных полностью аналогична картине биологических форм жизни.

Обладая наследственностью и мутациями, эта экосистема вселенных приобретает захватывающую возможность эволюционной схемы Дарвина. С комологическо-дарвинистской точки зрения, «успешными» являются вселенные, создающие большие количества черных дыр. Поскольку черные дыры появляются в результате образования и гибели звезд и галактик, эти успешные вселенные должны содержать большие количества звезд и галактик. Кроме того, на образование черных дыр уходит достаточно много времени. Галактики в нашей Вселенной образуются за время порядка миллиарда лет; массивные звезды живут и умирают за более короткое время, исчисляемое миллионами лет. Чтобы позволить образование большого числа звезд и галактик, любая успешная вселенная должна не только иметь нужные значения физических постоянных, но и быть относительно долго живущей. Имея звезды, галактики и длинное время жизни, вселенная вполне может разрешить развитие жизни. Другими словами, успешные вселенные автоматически имеют почти нужные характеристики для появления биологических форм жизни.

Эволюция сложной совокупности вселенных в целом происходит аналогично биологической эволюции на Земле. Успешные вселенные создают большие количества черных дыр и рождают большие количества новых вселенных. Эти астрономические «детишки» наследуют от материнских вселенных различные виды физических законов с небольшими изменениями. Те мутации, которые приводят к образованию еще большего количества черных дыр, приводят и к производству большего количества «детей». По мере развития этой экосистемы вселенных чаще всего встречаются вселенные, образующие невероятные количества черных дыр, звезд и галактик. Эти же вселенные имеют самые высокие шансы на зарождение жизни. Наша Вселенная, по какой бы то ни было причине, имеет как раз такие характеристики, которые позволяют жить долго и образовать много звезд и галактик: согласно этой громадной дарвинистской схеме наша собственная Вселенная является успешной. При рассмотрении с этой укрупненной перспективы наша Вселенная не является ни необычной, ни тонко настроенной; это, скорее, обыкновенная, а следовательно, и ожидаемая вселенная. И хотя данная картина эволюции остается спекулятивной и спорной, она обеспечивает изящное и привлекательное объяснение того, почему наша Вселенная имеет наблюдаемые нами свойства.

В биографии космоса, лежащей перед вами, мы проследили развитие Вселенной от ее сверкающего, сингулярного начала, через теплое и знакомое небо современности, через странные замерзшие пустыни, до возможной финальной гибели в вечной тьме. При попытке вглядеться еще глубже в темную бездну наши предсказательные способности значительно ухудшаются. А следовательно, наши гипотетические путешествия через космическое время должны завершиться, или, по крайней мере, стать ужасно неполными в некоторую будущую эпоху. В данной книге мы построили шкалу времени, охватывающую сотни космологических декад. Некоторым читателям, несомненно, покажется, что мы слишком самоуверенно зашли в своем повествовании так далеко, тогда как другие, возможно, удивятся, как мы могли остановиться в точке, которая, по сравнению с вечностью, настолько близка к самому началу.

В одном мы можем быть уверены. На своем пути в мрак будущего Вселенная проявляет замечательное сочетание скоротечности и неизменности, тесно переплетенных между собой. И хотя сама Вселенная выдержит испытание временем, в будущем не останется практически ничего, что хотя бы отдаленно напоминало настоящее. Самой стойкой характеристикой нашей вечно развивающейся Вселенной является перемена. И этот универсальный процесс непрекращающихся перемен требует расширенной космологической перспективы, другими словами, полного изменения нашего взгляда на самые крупные масштабы. Поскольку Вселенная постоянно изменяется, мы должны стараться понять текущую космологическую эпоху, текущий год и даже сегодняшний день. Каждое мгновение разворачивающейся истории космоса дает уникальную возможность, шанс достигнуть величия, приключение, которое можно пережить. Согласно временному принципу Коперника каждая будущая эпоха изобилует новыми возможностями.

Однако недостаточно сделать пассивное утверждение о неизбежности событий и «не скорбя, позволить случиться тому, что должно случиться». Отрывок, который часто приписывают Хаксли, гласит, что «если шесть обезьян усадить за пишущие машинки и позволить им на протяжении миллионов лет печатать то, что вздумается, то со временем они напишут все книги, которые имеются в Британском музее». Этих воображаемых обезьян уже давно приводят в пример всякий раз, когда речь идет о неясной или несостоятельной мысли, в качестве подтверждения невероятных событий или даже для неявного преуменьшения великих достижений рук человеческих, с намеком на то, что они есть не более чем счастливая случайность среди великого множества неудач. Как-никак если что-то может случиться, то оно непременно случится, не так ли?

Однако даже наше понимание будущего космоса, которое пока что находится в зачаточном состоянии, обнаруживает явную абсурдность этой точки зрения. Простой расчет свидетельствует о том, что произвольно выбранным обезьянам потребуется почти полмиллиона космологических декад (много больше лет, чем число протонов во Вселенной), чтобы случайно создать всего лишь одну книгу.

Вселенной на роду написано полностью изменить свой характер, причем не единожды, до того как эти самые обезьяны хотя бы начнут завершать поставленную перед ними задачу. Менее чем за одну сотню лет эти обезьяны умрут от старости. Через пять миллиардов лет Солнце, превратившееся в красного гиганта, сожжет Землю, а с ним и все пишущие машинки. Через четырнадцать космологических декад во Вселенной сгорят все звезды и обезьяны уже не смогут увидеть клавиши машинок. К двадцатой космологической декаде Галактика утратит свою целостность, а обезьяны получат весьма реальный шанс быть поглощенными черной дырой в центре Галактики. И даже протонам, составляющим обезьян и их работу, суждено распасться еще до истечения сорока космологических декад: вновь задолго до того, как их геркулесов труд даже не зайдет достаточно далеко. Но даже если бы обезьяны смогли пережить эту катастрофу и продолжить свою работу при слабом свечении, испускаемом черными дырами, их усилия все равно оказались бы тщетными в сотую космологическую декаду, когда Вселенную во взрыве покинут последние черные дыры. Но даже если бы обезьяны пережили и эту катастрофу и дожили бы, скажем, до сто пятидесятой космологической декады, они добились бы только возможности лицом к лицу оказаться с предельной опасностью космологического фазового перехода.

И хотя к сто пятидесятой космологической декаде обезьяны, печатные машинки и отпечатанные листы будут уничтожены не единожды, само время, конечно же, не закончится. Пристально глядя в мрак будущего, мы в большей степени ограничены нехваткой воображения и, быть может, неадекватностью физического понимания, чем действительно малочисленным набором подробностей. Более низкие уровни энергии и кажущаяся нехватка активности, которые ожидают Вселенную, более чем компенсируются увеличившимся количеством имеющегося у нее времени. Мы можем с оптимизмом смотреть в неопределенное будущее. И хотя нашему уютному миру суждено исчезнуть, огромное множество интереснейших физических, астрономических, биологических и, возможно, даже интеллектуальных событий еще только ожидают своего часа, по мере того как наша Вселенная продолжает свой путь в вечную тьму.

Несколько раз на протяжении этой биографии Вселенной мы сталкивались с возможностью отправления сигналов в другие вселенные. Если бы нам удалось, например, создать вселенную в лабораторных условиях, в нее можно было бы передать зашифрованный сигнал, прежде чем она утратит причинную связь с нашей собственной Вселенной. Но если бы вы могли послать такое сообщение, что бы вы написали в нем?

Наверное, вам захотелось бы сохранить самую суть нашей цивилизации: искусство, литературу и науку. У каждого читателя будет какая-нибудь идея насчет того, какие составляющие нашей культуры следует сохранить таким образом. Тогда как у каждого человека было бы на этот счет свое мнение, мы повели бы себя очень недобросовестно, если бы не внесли хоть какого-то предложения по архивации какой-нибудь части нашей культуры. В качестве примера мы предлагаем заключенную в капсулу версию науки, или, точнее, физики и астрономии. Среди самых основных посланий могли бы быть следующие:

Вещество состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из более мелких частиц.

На малых расстояниях частицы проявляют свойства волны.

Природой управляют четыре фундаментальные силы.

Вселенная состоит из эволюционирующего пространства-времени.

Наша Вселенная содержит планеты, звезды и галактики.

Физические системы эволюционируют в состояния с более низкой энергией и возрастающим беспорядком.

Эти шесть пунктов, универсальная роль которых к данному моменту должна быть ясна, можно считать сокровищами наших достижений в физических науках. Возможно, это самые важные физические концепции, которые наша цивилизация открыла к настоящему моменту. Но если эти концепции - сокровища, то их венцом, несомненно, следует считать научный метод. Если есть научный метод, то при наличии достаточного времени и усилий все эти результаты получаются автоматически. Если бы существовала возможность передать в другую вселенную всего одну концепцию, представляющую интеллектуальные достижения нашей культуры, то самым стоящим посланием был бы научный метод.

, Большое сжатие - один из возможных сценариев будущего Вселенной , в котором расширение Вселенной со временем меняется на сжатие, и Вселенная коллапсирует , в конце концов схлопываясь в сингулярность .

Обзор

Если Вселенная конечна в пространстве, и скорость расширения не превышает скорость убегания , то совместное гравитационное притяжение всей её материи в конце концов остановит расширение Вселенной и заставит её сжиматься. Вследствие возрастания энтропии картина сжатия будет сильно отличаться от обращённого во времени расширения. В то время как ранняя Вселенная была очень однородной, сжимающаяся Вселенная будет разбиваться на отдельные изолированные группы. В конце концов, вся материя коллапсирует в чёрные дыры , которые затем будут срастаться, создавая в результате единую чёрную дыру - сингулярность Большого сжатия.

Последние экспериментальные свидетельства (а именно наблюдение дальних

Наиболее заметная теория о том, как началась Вселенная Большого Взрыва, где вся материя сначала существовала как сингулярность, бесконечно плотная точка в крошечном пространстве. Потом что-то привело ее к взрыву. Материя расширилась с невероятной скоростью и в конечном итоге сформировала Вселенную, которую мы видим сегодня.

Большое Сжатие, как вы могли догадаться, противоположность Большого Взрыва. Все, что разлетелось по краям Вселенной, под воздействием силы тяжести будет сжиматься. Согласно этой теории, гравитация замедлит расширение, вызванное Большим Взрывом и в конечном итоге все вернется обратно в точку.

1. Неизбежная тепловая смерть Вселенной.

Подумайте о тепловой смерти, как полной противоположности Большому Сжатию. В этом случае, сила тяжести не достаточно сильна, чтобы преодолеть расширение, так как Вселенная просто держит курс на расширение в геометрической прогрессии. Галактики отдаляться друг от друга, как несчастные влюбленные, и всеохватывающая ночь между ними становится все шире и шире.

Вселенная подчиняется тем же правилам, как и любая термодинамическая система, что в конечном итоге приведет нас к тому, что тепло равномерно распределится по всей Вселенной. Наконец, вся Вселенная погаснет.

1. Тепловая смерть от Черных дыр.

Согласно популярной теории, большинство материи во Вселенной вращается вокруг черных дыр. Просто посмотрите на галактики, которые содержат сверхмассивные черные дыр в их центрах. Большая часть теории черной дыры предполагает поглощение звезд или даже целых галактик, как они попадают в горизонт событий дыры.

В конце концов, эти черные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся в темной Вселенной.

1. Конец Времени.

Если что-то вечное, то это, безусловно, время. Есть ли Вселенная или нет, время все равно идет. В противном случае, не было бы никакого способа, чтобы различить один момент из следующего. Но что, если время упущено и просто замерло? Что делать, если не будет больше моментов? Просто один и тот же момент времени. Навсегда.

Предположим, что мы живем во Вселенной, время в которой никогда не заканчивается. С бесконечным количеством времени, все, что может случиться происходит со 100-процентной вероятностью. Парадокс же произойдет, если у вас есть вечная жизнь. Вы живете бесконечное время, поэтому все, что можно гарантированно произойдет (и произойдет бесконечное количество раз). Остановка времени тоже может случится.

1. Большое Столкновение.

Большое Столкновение похоже на Большое Сжатие, но гораздо более оптимистично. Представьте себе, тот же сценарий: Гравитация замедляет расширение Вселенной и все сжимается обратно в одну точку. В этой теории, сила этого быстрого сжатия достаточна, чтобы начать еще один Большой Взрыв, и Вселенная начинается снова.

Физикам не нравится это объяснение, так что некоторые ученые утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдет весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого, она сожмется очень сильно, а затем оттолкнется от силы, подобной той, что отталкивает мяч, когда вы его ударяете об пол.

1. Большой Разрыв.

Независимо от того, как заканчивается мир, ученые пока не чувствуют необходимость использовать (ужасно заниженное) слово «большой», чтобы описать его. В этой теории, невидимая сила называется «темная энергия», она вызывает ускорение расширения Вселенной, что мы и наблюдаем. В конце концов, скорости вырастут настолько, что материя начнет рваться на мелкие частицы. Но есть и светлая сторона этой теории, по крайней мере Большого Разрыва придется ждать еще 16 миллиардов лет.

1. Эффект Метастабильности Вакуума.

Эта теория зависит от идеи, что существующая Вселенная находится в крайне нестабильном состоянии. Если вы посмотрите на значения квантовых частиц физики, то можно сделать предположение, что наша Вселенная находится на грани устойчивости.

Некоторые ученые предполагают, что миллиарды лет спустя, Вселенная будет на грани разрушения. Когда это произойдет, в какой-то момент во Вселенной, появится пузырь. Подумайте об этом как об альтернативной Вселенной. Этот пузырь будет расширяться во всех направлениях со скоростью света, и уничтожать все, к чему прикасается. В конце концов, этот пузырь уничтожит все во Вселенной.

1. Временной Барьер.

Потому что законы физики не имеют смысла в бесконечной мультивселенной, единственный способ понять эту модель это предположить, если что есть реальная граница, физическая граница Вселенной, и ничто не может выйти за пределы. И в соответствии с законами физики, в ближайшие 3,7 млрд лет, мы пересечем временной барьер, и Вселенная кончится для нас.

1. Это не случится (потому что мы живем в мультивселенной).

По сценарию мультивселенных, с бесконечными Вселенными, эти Вселенные могут возникать в или из существующих. Они могут возникать из Больших Взрывов, уничтожаться Большими Сжатиями или Разрывами, но это не имеет никакого значения, так как новых Вселенных всегда будет больше, чем уничтоженных.

1. Вечная Вселенная.

Ах, вековая идея, что Вселенная всегда была, и всегда будет. Это одна из первых концепций, которую люди, создали о природе Вселенной, но есть и новый виток в этой теории, что звучит немного интересней, ну, серьезно.

Вместо сингулярности и Большого Взрыва, который положил начало самого времени, время мог существовать раньше. В этой модели, Вселенная циклична, и будет продолжать расширяться и сжиматься всегда.

В ближайшие 20 лет мы с большей уверенностью сможем сказать, какая из этих теорий наиболее соответствует реальности. И возможно, найдем ответ на вопрос, как наша Вселенная начиналась и как она закончится.

Предположим, что мы живем во Вселенной, когда никогда не закончится. С бесконечным количеством временем все, что может случиться, случится со 100-процентной вероятностью (согласно теории Пуанкаре). Этот же парадокс произойдет, если вы будете жить вечно. Вы живете бесконечное время, поэтому любое событие случится гарантированно (и произойдет бесконечное количество раз). Поэтому, если вы будете жить вечно, шанс того, что вы застынете во времени, 100-процентный. Поскольку это допущение спутало множество расчетов, которые пытались предсказать конец нашей вселенной, ученые предположили кое-что еще: само время должно однажды остановиться.

Допустим, вы будете живы, чтобы это испытать (миллиарды лет после конца Земли), но вы не сможете понять, что что-то пошло не так. Время просто остановится и все замерзнет, как снимок, как слепок, навсегда. Но и навсегда это не будет, потому что время просто не будет двигаться вперед. Это будет просто один момент времени. Вы никогда не умрете и не постареете. Это своего рода псевдобессмертие, но вы об этом никогда не узнаете.

Большой Отскок

Большой Отскок похож на Большое Сжатие, но куда более оптимистичен. Представьте себе тот же сценарий: гравитация замедляет расширение Вселенной и конденсирует все в одной точке. Согласно теории, этого сжатия может быть достаточно, чтобы начать еще один взрыв, и вселенная начнется снова. Ничто не уничтожится, но перераспределится.

Физикам не нравится это объяснение, поэтому некоторые ученые полагают, что вселенная просто не вернется обратно к сингулярности. Скорее она очень близко приблизится к этому состоянию и отскочит, подобно тому, как мяч отскакивает от пола. Большой Отскок в этом плане очень похож на Большой Взрыв и теоретически может породить новую вселенную. В этом колеблющемся цикле наша вселенная может стать первой вселенной в серии или четырехсотой. Никто не узнает об этом.

Большой Разрыв

Вне зависимости от того, как именно закончится все сущее, ученым нужно использовать слово «большой», чтобы описать этот конец. Согласно этой теории, невидимая сила под названием «темная энергия», ускоряет расширение наблюдаемой вселенной. В конце концов расширение настолько ускорится, как «Энтерпрайз» с варп-фактором девять, что вселенной не останется ничего, кроме как разорваться в ничто.

Самая страшная часть этой теории в том, что хотя большинство этих сценариев случаются после того, как сгорают звезды, Большой Разрыв должен произойти, по ранним оценкам, через 16 миллиардов лет. На этой стадии Вселенная, планеты и теоретически жизнь еще будут существовать. Этот катаклизм может сжечь ее живьем, оторвать от всего сущего и скормить космическим львам, которые живут между вселенными. Неизвестно, что будет. Но эта смерть явно более жестокая, чем медленная тепловая смерть.

Событие вакуумной метастабильности

Эта теория зависит от идеи того, что Вселенная существует в принципиально нестабильном состоянии. Если вы посмотрите на значения квантовых частиц, нетрудно догадаться, почему некоторые полагают, что наша Вселенная балансирует на грани устойчивости. Некоторые ученые предполагают, что спустя миллиарды лет Вселенная просто упадет с этой грани. Когда это случится, в какой-то момент времени во вселенной появится пузырь. Этот пузырь будет расширяться во всех направлениях со скоростью света и уничтожит все, к чему прикоснется. В конце концов этот пузырь уничтожит все во Вселенной.

Но не переживайте: вселенная все еще будет там. Законы физики будут другими, а возможно — и другая жизнь. Но во вселенной не будет ничего, чего мы не смогли бы понять.

Временной барьер

Если мы попробуем вычислить вероятности в мультивселенной (в которой есть бесконечное число вселенных), мы вернемся к проблеме, озвученной выше: все может случиться со 100-процентной вероятностью. Чтобы обойти эту проблему, ученые просто берут участок Вселенной и рассчитывают вероятности для него. Это работает, но границы, которые они очерчивают, неизбежно отрезают участок от остального мира.

Поскольку законы физики не имеют смысла в бесконечной вселенной, единственный вывод, который можно сделать, это то, что существует физическая граница, предел, за который выйти нельзя. И если верить физикам, в следующие 3,7 миллиарда лет мы пересечем этот временной барьер, и для нас вселенная закончится. Хотя куда более вероятно то, что мы просто не можем понять и описать этот принцип с нашей физической терминологией.

Этого не будет (поскольку мы живем в мультивселенной)

По сценарию мультивселенной с бесконечным количеством вселенных, эти вселенные могут возникать даже в процессе нашего существования. Они могли начать возникать даже с Большим Взрывом. Одна вселенная закончит Большим Сжатием, другая тепловой смертью, третья Большим Разрывом и так далее. Но это неважно: в мультивселенной наша вселенная - всего лишь одна из множества других. И даже если наш мир рассыпется радугой в пустоте между вселенными, большая «вселенная» останется. И поскольку в ней будет другая вселенная и существование, и жизнь, нам ничего не угрожает.

Количество новых вселенных всегда будет большем, чем старых, поэтому в теории число вселенных увеличивается.

Вечная вселенная

Долгое время считалось, что Вселенная была, есть и всегда будет. Это одна из первых концепций, которые создали люди о природе Вселенной, однако в последнее время эта теория получила новый толчок, уже серьезно подкрепленный с точки зрения физики.

Так вот, не с сингулярности Большого Взрыва начался отсчет времени, время могло существовать и раньше (за бесконечность до этого), а сингулярность и результирующий взрыв могли стать следствием столкновения двух бран (структур пространства-времени более высокого уровня бытия). В этой модели Вселенная циклична и будет продолжать расширяться и сжиматься всегда.

Мы, кстати, можем выяснить это в ближайшие 20 лет - у нас есть , исследовавший космос в поисках паттернов микроволнового фона, которые подскажут нам что-нибудь о происхождении Вселенной. Это долгий процесс, но он предоставит нам знания о том, с чего началась наша Вселенная, а возможно подскажет, чем она закончится.

Однако уравнения теории относительности допускают также и другую возможность – сжатие. Имеет ли значение то, что Вселенная именно расширяется, а не сжимается?

Давайте представим, что наша Вселенная сжимается . Что изменится при этом в картине окружающего нас мира?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать ответ на другой вопрос: почему ночью темно? Он вошел в историю астрономии под названием фотометрического парадокса. Суть этого парадокса в следующем.

Если во Вселенной всюду рассеяны , которые в среднем излучают приблизительно одинаковое количество света, то независимо от того, сгруппированы они в галактике или нет, они покрывали бы своими дисками всю небесную сферу. Ведь Вселенная состоит из многих миллиардов звезд, и, куда бы мы ни направили свой взор, он почти наверняка рано или поздно натолкнется на какую-нибудь звезду.

Иными словами, каждый участок звездного неба должен был бы светиться, как участок диска Солнца, так как в подобной ситуации видимая поверхностная яркость не зависит от расстояния. С неба на нас обрушивался бы ослепительный и жаркий поток света, соответствующий температуре около 6 тыс. градусов, почти в 200000 раз превосходящий свет Солнца. Между тем ночное небо черное и холодное. В чем же тут дело?

Лишь в теории расширения Вселенной фотометрический парадокс автоматически устраняется. Поскольку галактики разбегаются, в их спектрах происходит красное смещение спектральных линий. В результате частота, а значит, и энергия каждого фотона уменьшаются. Ведь красное смещение – это сдвиг электромагнитного излучения звезд галактики в сторону более длинных волн. А чем больше длина волны, тем меньшую энергию несет с собой излучение, и чем дальше галактика, тем сильнее ослабляется энергия каждого приходящего к нам фотона.

Помимо этого, непрерывное увеличение расстояния между Землей и удаляющейся галактикой приводит к тому, что каждый следующий фотон вынужден преодолевать несколько больший путь, чем предыдущий. Благодаря этому фотоны попадают в приемник реже, чем они испускаются источником. Следовательно, уменьшается и число приходящих в единицу времени фотонов. Это также приводит к понижению количества приходящей в единицу времени энергии. Именно поэтому ночное небо остается черным.

Поэтому, если представить, что Вселенная сжимается и сжатие это длится миллиарды лет, то яркость неба при этом не ослаблена, а наоборот, усилена. При этом, на нас обрушился бы ослепительный и жаркий поток света, соответствующий очень высокой температуре.

В подобных условиях на Земле жизнь, наверное, не могла бы существовать. Значит, мы отнюдь не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной.