Вселенная в электроне

Барашенков Владилен Сергеевич

Новый космологический сценарий не перечеркнул и не отбросил теорию Фридмана, он включил ее как необходимый фрагмент, описывающий более позднюю стадию развития Вселенной.

История Вселенной

Новая теория рассказывает нам о событиях во Вселенной, начиная с 10^{– 42} — 10^{– 40} секунд после ее рождения, когда размеры мира были немногим больше геометрического кванта или около того. Что было еще раньше, как произошло рождение Вселенной — об этом можно лишь гадать. Это тайна тайн. Можно лишь утверждать, что материя заведомо не могла возникнуть «из ничего», и рождению «нашего мира» предшествовали какие-то другие его состояния.

Когда говорят, что Вселенная родилась столько-то лет тому назад, молчаливо предполагается, что тогда время можно было измерять по тем же часам, что

и сегодня. А это не так. В окрестностях «Биг Бэнга» свойства времени, его ритм были совсем иными. Говорить о первых мгновениях жизни Вселенной, о времени в окрестностях ее начала, где оно, по-видимому, распадалось на отдельные порции — кванты, а возможно, было даже многомерным, можно лишь весьма условно. Как метко заметил английский физик Стив Хоукинг, спрашивать, что было раньше «Биг Бэнга» — например сорок или пятьдесят миллиардов лет назад, — так же неразумно, как просить указать точку, которая на километр севернее Северного полюса. Подобно тому как понятие «север» теряет всякий смысл на полюсе, так и понятие «время» утрачивает смысл в точке «Биг Бэнга».

Сегодня ясно одно: в окрестностях «начала мира» действовали какие-то особые, неизвестные нам законы природы. Наша физика там не применима, она дает бессмысленные результаты: нули и бесконечности.

В еще совсем недавно изданных книгах можно прочитать, что мы многое узнаем о механизме рождения мира, когда заглянем на край расширяющейся Вселенной, на расстояния порядка 10²³ километров, где находятся разлетающиеся осколки ее горячей фазы. Однако теория раздувающейся Вселенной убеждает нас в том, что там можно увидеть лишь следы ее повторного разогрева. О том, что происходило раньше, может рассказать пока только теория.

Впрочем, положение не безнадежно. Ведь научились же определять химический состав удаленных звезд! А ведь было время, когда считалось, что это принципиально невозможно. Немецкий философ Иммануил Кант приводил это даже как пример вопроса, который никогда не найдет ответа. Развитие спектрального анализа обнаружило следы, говорящие о составе звезд, о свойствах испускаемого ими света. В природе все взаимосвязано. Вполне возможно, что следы рождения мира сохранились в каких-то явлениях. Все происходящее в мире оставляет свои «отпечатки пальцев», надо только уметь их разглядеть.

Если верить теории, то основная история Вселенной, наиболее бурные качественные изменения в ней приходятся на несколько первых секунд ее жизни, а теперь мы наблюдаем лишь плавно затухающие последствия (как говорят физики, «хвост») грандиозных событий.

Таинственные события вблизи «Биг Бэнга», распухание Вселенной, выделение заполняющего ее вещества из вакуума и его разогрев, превративший мир в гигантский огненный шар, — все это успело произойти за 10^{– 32} секунд. Родившиеся из вакуума частицы «расплавились» (точнее, распались на составляющие элементы) и снова стали выпадать в осадок из «расплава» лишь после того, как Вселенная несколько остыла. Сначала образовались очень тяжелые частицы, для которых требуется много энергии, потом все более и более легкие. А когда плотность вещества снизилась до уровня, который существует в атомных ядрах (это в десять тысяч миллиардов раз больше плотности стали!), образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось примерно через десятитысячную долю секунды после «Биг Бэнга». Какая-то часть образовавшегося таким образом ядерного вещества аннигилировала и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное излучение, а оставшаяся часть вскоре распалась на ядра и антиядра. Вселенная превратилась в раскаленную плазму — состояние вещества, которое ученые сегодня стараются создать в реакторах для получения термоядерной энергии. Постепенно охлаждаясь, плазма испускала сначала свет, затем инфракрасное тепловое излучение, как стенка нагретой печки. На этой стадии физические процессы стали медленными. Остаточное тепловое излучение охладившейся Вселенной, которое фиксируют наши приборы в космосе, было испущено, когда ее возраст составлял уже около сотни тысяч лет. Галактики и звездные системы образовались еще позднее, через несколько миллиардов лет после «Биг Бэнга». По сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной в пятнадцать — двадцать миллиардов лет, это уже совсем недавно. В космическом масштабе, конечно.

По мере старения Вселенной событий в ней происходит все меньше, их разделяют огромные интервалы времени. А что будет дальше, например, через сто миллиардов лет? Будут ли какие-то качественно иные фазы в развитии нашего мира? Что

его ждет?

Через много-много лет

Сто миллиардов лет — чудовищный интервал времени, впятеро больший того, что уже прожила Вселенная. Тем не менее за это время в ней мало что изменится. Раз в десять увеличатся ее размеры и возрастут расстояния между галактиками и звездами — вот, пожалуй, и все. Существенные изменения произойдут, лишь когда возраст Вселенной увеличится еще в тысячу раз, то есть достигнет умопомрачительной величины в сто триллионов лет. К этому времени звезды исчерпают запасенное в них ядерное горючее, и Вселенная станет темной, похожей на большой зал, в котором потухли все электрические лампочки. Как после бала.

В течение следующего триллиона триллионов лет в результате случайных столкновений — подобно тому, как это происходит с частицами газового облака — большинство звезд покинут свои галактики и рассеются в пространстве. А немногие оставшиеся в результате взаимного притяжения слипнутся в тяжелые, массивные комки, которые под влиянием их собственного внутреннего тяготения сожмутся затем в черные дыры. Вселенная в это время будет представлять собой огромный шар звездного «газа» с островками медленно засасывающих его черных дыр. А далее самым важным процессом станет радиоактивный распад протонов. Когда Вселенная проживет 10³² — 10³⁵ лет, все рассеявшиеся звезды, межзвездная пыль — вообще все вещество, которое не успело утонуть в черных дырах, распадется, превратившись в разреженный газ легких частиц — электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. В таком состоянии — редко разбросанные по пространству черные дыры и лептон-фотонный газ между ними — Вселенная будет жить долго-долго, пока не достигнет возраста 10¹⁰⁰ лет. Можно сказать, что это ее основное состояние. Главными процессами в это время будут расширение Вселенной и испарение черных дыр. Через 10¹⁰⁰ лет она превратится в чрезвычайно разреженный, расширяющийся почти со скоростью света газ электрон-позитронных пар, нейтрино, фотонов.

Такая судьба ждет наш мир, если его масса недостаточна для замыкания. Вспомним, что расширение по фридмановскому сценарию началось после того, как раздувшаяся до невероятно огромных размеров Вселенная превратилась в огненный шар. Из-за случайных флюктуации плотность вещества, выделившегося в отдельных ее областях, могла быть несколько различной. Соответственно различным получился там и вакуум (ведь вещество выделилось в результате его перестройки). Вселенная стала похожей на растрескавшееся и разбухающее во все стороны печеное яблоко. Трещины разделяют области с различным вакуумом. Окружающий нас мир с привычными физическими свойствами — одна из таких областей. Это — наша Вселенная. Свойства других областей-миров, соседних с нашим и удаленных, могут быть совсем иными. Если масса нашего мира меньше критической, при котором он становится фридмоном, мир будет расширяться беспредельно. В противном случае силы всемирного тяготения остановят его расширение, и начнется обратный процесс — сжатие замкнутого мира.

Через сколько миллионов или миллиардов лет может начаться сжатие, сказать трудно. Во всяком случае, плотность материи в нашем мире весьма близка к критической. Если принять во внимание только видимое, светящееся, вещество, то его масса примерно на порядок меньше критической. С другой стороны, масса темной материи не может более чем в десять раз превосходить массу светящегося вещества, так как расширение нашего мира давно уже прекратилось бы и он начал бы сжиматься. Как видно, интервал довольно узкий. Не исключено, что скоро наш мир начнет коллапсировать. Скоро — в космическом масштабе, конечно. Реально это могут быть многие миллиарды лет. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр, когда возраст нашего мира составит 10⁴⁰ — 10⁵⁰ лет. До этого времени — практически бесконечность!

Сжатие, в конце концов, закончится гравитационным схлопыванием пространства и, возможно, новым циклом расширения — рождением новой Вселенной. Впрочем, что последует за сжатием, повторное «рождение» и расширение Вселенной или какая-то иная ее фаза, — это пока за пределами наших знаний.

Итак, если сила тяготения не остановит расширения, то через 10¹⁰⁰ лет, когда размеры нашей Вселенной достигнут чудовищной величины в 10¹¹⁰ километров, она полностью превратится в чрезвычайно разреженный газ легких элементарных частиц, которым распадаться уже не на что. Почти пустое мертвое пространство.