Книга: Черные дыры и вселенная

На крыльях времени

В научном творчестве каждого физика, в особенности физика-теоретика, время от времени наступают периоды, когда кажется, что в твоей области нет больше интересных задач. Про нашего физика-теоретика Л. Ландау рассказывают, как он в молодости жаловался, что подобно хорошим девушкам, которые все уже заняты или вышли замуж, все хорошие, стоящие задачи уже решены и вряд ли можно найти что-нибудь достойное среди оставшихся. Он, конечно, сам опроверг свое шутливое замечание; им поставлено и решено много замечательных задач. Подобно тому как на смену вышедшим замуж симпатичным девушкам приходят в этот мир другие, еще более симпатичные, так и на смену решенным проблемам встают новые, еще более увлекательные.

Вспоминается такая полоса в моей жизни: мне казалось тогда, что я занимаюсь неперспективными проблемами. Я как-то поделился об этом с одной из коллег. Разговор перекинулся на будущее отдельных небесных тел. И она предложила интересную задачу о расчете остывания нейтронных звезд в экзотических условиях очень отдаленного будущего Вселенной. Эта совместно выполненная нами работа, совместный анализ работ других ученых об отдаленном будущем и составляет основу нашего дальнейшего рассказа.

Мы изучаем прошлое, чтобы лучше понять настоящее и будущее, а близкое и отдаленное будущее человечества, будущее разума во многом зависит от будущего природы, от судеб Земли, Солнца Галактики, Вселенной.

Изучение будущего Вселенной принципиально отличается от изучения прошлого. Прошлое оставило свои следы, и, обнаруживая их, мы проверяем правильность своих представлений. Картина будущего — это всего экстраполяция, прямая проверка здесь невозможна. И тем не менее сегодня фундамент физических и астрофизических знаний настолько прочен, что позволяет с достаточной уверенностью рассматривать отдаленное будущее Вселенной.

Оно зависит прежде всего от того, будет ли она вечно расширяться. Рассмотрим сначала будущее неограниченно расширяющейся однородной Вселенной с плотностью, не превышающей критического значения. Какие же процессы произойдут в этой неограниченно расширяющейся Вселенной?

Первый из таких процессов сейчас ни у кого не вызывает сомнений — звезды в будущем погаснут. Солнце закончит свою активную эволюцию через несколько миллиардов лет и превратится в белый карлик размером с Землю, который будет постепенно остывать.

Звезды массивнее Солнца проживут еще меньше и в зависимости от массы в конце концов превратятся либо в нейтронные звезды с поперечником всего в десятки километров, либо в черные дыры.

Наконец, возможен катастрофический взрыв в конце жизненного пути звезды с полным ее разрушением. Так, по-видимому, взрываются некоторые звезды, называемые сверхновыми.

Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше, но и они рано или поздно превращаются в остывшие карлики.

В наше время возникают и новые звезды из межзвездной среды. Однако настанет время, когда необходимые запасы ядерной энергии и вещества будут исчерпаны, новые звезды рождаться не будут, а старые превратятся в холодные тела или черные дыры.

Звездная эра эволюции Вселенной закончится примерно через 10¹⁴ лет. Этот срок огромен, он в 10 тысяч раз больше времени, прошедшего от начала расширения Вселенной до наших дней.

А теперь о судьбе галактик.

Звездные системы — галактики — состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах галактик, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры, о чем свидетельствуют бурные процессы в галактических ядрах, наблюдаемые астрофизиками. Для будущего галактик существенны очень редкие в наше время события, когда какая-либо звезда в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами приобретает большую скорость, покидает галактику и превращается в межгалактического странника. Звезды постепенно будут покидать галактику, а ее центральная часть будет понемногу сжиматься, превращаясь в очень компактное звездное скопление. В таком скоплении звезды будут сталкиваться друг с другом, превращаясь в газ, и этот газ в основном будет падать в центральную сверхмассивную дыру, увеличивая ее массу. Звезды также будут разрушаться приливными силами, пролетая слишком близко от этой черной дыры.

Конечный этап — это сверхмассивная черная дыра, поглотившая остатки звезд центральной части галактики, и рассеивание около 90 процентов всех звезд внешних частей в пространстве. Процесс разрушения галактик закончится примерно через 10¹⁹ лет, все звезды к этому времени давно погаснут и потеряют право именоваться звездами. Для дальнейших процессов определяющей является предсказываемая современной физикой нестабильность ядерного вещества. Имеется в виду, что протон хотя и очень долго живущая, но все же нестабильная частица. Теория «великого объединения», которая предсказывает бурные процессы в эпоху с 10^–34 секунды по 10^–32 секунды после начала расширения Вселенной, предсказывает и необходимость распада протона (а также и нейтрона в составе сложных ядер, который в этих условиях также считался стабильным). Среднее время его жизни оценивается примерно в 10³² лет. Конечный продукт распада протона — один позитрон, излучение в виде фотона, нейтрино и, возможно, одна или несколько электронно-позитронных пар. Хотя распад протона еще не наблюдался непосредственно, мало кто из физиков сомневается в неизбежности такого процесса.

Итак, примерно через 10³² лет ядерное вещество полностью распадется. Из мира исчезнут даже погасшие звезды. Но распад ядерного вещества уже задолго до этого срока начнет играть важную роль в эволюции Вселенной. Позитроны, возникающие при распаде нуклонов (это общее название протонов и нейтронов), аннигилируют с электронами, превращаясь в фотоны, которые вместе с фотонами, прямо возникающими при распаде нуклона, нагревают вещество. Только нейтрино свободно покидают звезду и уносят около 30 процентов всей энергии распада.

Процесс распада будет поддерживать температуру умерших звезд и планет на уровне хоть и низком, но все же заметно отличном от абсолютного нуля. Так, белые карлики, остыв за 10¹⁷ лет до температуры 5 кельвинов, будут потом сохранять эту температуру из-за выделения энергии при распаде вещества внутри их. Нейтронные звезды остывают за 10¹⁹ лет до температуры около 100 кельвинов, после чего распад вещества в них будет поддерживать эту температуру.

Спустя 10³² лет все ядерное вещество полностью распадется, звезды и планеты превратятся в фотоны и нейтрино.

Несколько иная судьба у рассеянного в пространстве газа, который останется после разрушения галактик (по массе он может составить около одного процента всего вещества Вселенной). Ядерное вещество этого газа тоже, разумеется, распадется через 10³² лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами — из-за крайней разреженности газа вероятность встречи этих частиц чрезвычайно мала, и в результате образуется разреженная электронно-позитронная плазма.

К этому времени, то есть через 10³² лет, во Вселенной останутся еще черные дыры, возникшие из массивных звезд после их угасания, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик (об их судьбе мы скажем немного позже).

Что же будет происходить во Вселенной после распада ядерного вещества?

В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электронно-позитронная плазма и черные дыры. Основная часть массы окажется сосредоточенной в фотонах и нейтрино. Ибо именно в эти виды материи превратится обычное вещество после распада. Начнется эра излучения. Правда, надо помнить, что это излучение, чрезвычайно сильно остывшее.

С расширением Вселенной плотность массы излучения быстро будет падать, так как уменьшается и плотность числа частиц, и энергия каждого кванта (а значит, и его масса). В отличие от излучения средняя плотность обычной материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр убывает только из-за уменьшения их концентрации при расширении Вселенной. Значит, плотность этих видов материи убывает медленнее, чем плотность излучения. Поэтому ко времени 10³³ лет плотность материи уже будет определяться главным образом массой, заключенной в черных дырах. Ее будет гораздо больше, чем в электронно-позитронной плазме. Если масса покоя нейтрино не ноль, как мы это разбирали выше, то значительная доля массы останется также в нейтрино. На смену эре излучения придет эра черных дыр!

Но и черные дыры не вечны. В поле тяготения вблизи черной дыры происходит, как мы знаем, рождение частиц; причем у черных дыр с массой порядка звездной и больше возникают кванты излучения. Такой процесс ведет к уменьшению массы черной дыры, она постепенно превращается в фотоны, нейтрино, гравитоны. Но процесс этот чрезвычайно медленный. Скажем, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 10⁶⁹ лет, а сверхмассивная черная дыра, масса которой еще в миллиард раз больше, — за 10⁹⁶ лет. И все же постепенно все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе во Вселенной, снова наступит эра излучения. Однако это излучение несравненно более холодное, чем излучение в эпоху распада вещества. Вследствие расширения Вселенной плотность излучения, как уже говорилось, падает быстрее плотности электронно-позитронной плазмы, и через 10¹⁰⁰ лет станет доминирующей именно эта плазма и, кроме нее, во Вселенной не останется практически ничего.

На первый взгляд картина эволюции Вселенной в отдаленном будущем выглядит весьма пессимистически из-за постепенного распада, деградации, рассеяния.

К возрасту Вселенной 10¹⁰⁰ лет в мире останутся практически только электроны и позитроны, рассеянные в пространстве с ужасающе ничтожной плотностью: одна частица будет приходиться на объем, равный 10¹⁸⁵ объемам всей видимой сегодня Вселенной. Означает ли это, что в будущем замрут все процессы, не будет происходить активных движений физических форм материи, невозможно будет существование каких-либо сложных систем, а тем более разума в какой бы то ни было форме?

Нет, такой вывод был бы неверен. Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедленны, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была примерно 10²⁷ кельвинов, происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10^–34 секунды, а пространственные масштабы были порядка 10^–24 сантиметра. С точки зрения подобных масштабов и сверхбыстрых процессов сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное и чрезвычайно растянутое в пространстве. По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь, правда, в непривычных формах, и «пульс жизни будет биться все медленнее, но никогда не остановится».

Наша пытливая мысль залетела в невообразимо далекое будущее. В таких длительных полетах всегда можно столкнуться с чем-то непредусмотренным. Пока у нас речь шла о процессах, которые вытекают из надежно установленных физических законов, однако в будущем возникнут физические условия, недоступные нам в эксперименте (сверхнизкие температуры, малые плотности и т. д.), и вполне возможно проявление сил, возникновение процессов, совершенно нам пока неизвестных. А эти силы и процессы могут в корне изменить ситуацию.

Вот один из таких возможных процессов — распад вакуума, его превращение в расширяющейся Вселенной в реальное вещество. В прошлом, в упоминавшуюся уже эпоху 10^–34 секунды после начала расширения, вакуум — «ложный вакуум», как мы его называли, — вероятно, уже распался, порождая частицы и античастицы больших энергий. Эта энергия соответствовала температуре 10²⁷ кельвинов, а плотность вещества составляла 10⁷⁴ г/см³.

В современном вакууме (в том, что в просторечии называется пустотой), тоже, возможно, заключена некоторая плотность энергии. Но, как мы видели в разделе «Гравитация пустоты», она если и есть, то очень мала и соответствует плотности массы не более чем 10^–28 г/см³, а может быть, даже существенно меньше. Обнаружить такую плотность даже в астрономических наблюдениях крайне трудно. Теория полагает возможным, что плотность массы вакуума в далеком будущем скачком перейдет в реальные частицы и античастицы, давая начало новым физическим процессам. Родившееся при этом вещество будет, конечно, разреженным, но все же несравненно более плотным, чем оставшееся к тому времени рассеянное вследствие расширения Вселенной «наше» вещество. Подобный «фазовый переход» вакуума может быть чрезвычайно существенным для судеб Вселенной. Так, в принципе этот переход может остановить расширение Вселенной и сменить его сжатием. Вновь возникший при этом «сверхистинный вакуум» будет обладать гравитационными свойствами притяжения, а не отталкивания, как «ложный вакуум». Ясно, что если расширение Вселенной сменится сжатием, то при этом вся нарисованная нами картина будущего Вселенной изменится в корне.

И еще одно замечание. Рисуя будущее Вселенной, мы предполагали, что нейтрино всех сортов не обладают массой покоя, то есть представляют собой излучение. Предполагалось также, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю. Но, как мы видели в главе «Нейтринная Вселенная», возможно, масса покоя нейтрино не равна нулю.

Влияния этого факта на будущие судьбы Вселенной могут быть двоякого рода. Если масса покоя нейтрино очень мала, скажем, в сотни тысяч раз меньше массы электрона, то тяготение, создаваемое этой частицей в масштабах Вселенной, тоже очень мало и не оказывает сегодня никакого действия на темпы расширения. Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не так быстро, как плотность массы фотонов, а так же, как плотность массы обычных частиц, и в электронно-позитронной плазме будет постоянная малая примесь нейтрино (и антинейтрино), имеющих массу покоя.

Если же окажется, что масса покоя нейтрино близка к предсказываемому верхнему возможному пределу (примерно 0,00005 массы электрона), то суммарная масса всех этих частиц во Вселенной получится чрезвычайно большой, а средняя плотность вещества превысит критическую (10^–29 г/см³), и в будущем тяготение нейтрино остановит расширение Вселенной. Это может случиться гораздо раньше, чем распадется все ядерное вещество, и даже раньше, чем погаснут все звезды. Тогда в будущем Вселенную ожидает сжатие, разрушение при этом небесных тел, возникновение вновь сверхплотного сверхгорячего вещества со сверхбурными физическими процессами.

Как видите, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным.

Правда, во всех вариантах в отдаленном будущем Вселенная будет совсем не похожа на окружающую нас сегодня. Либо это состояние очень разреженное и холодное, либо очень плотное и горячее.

Ну что же. Мы это должны четко понимать. Вселенная эволюционирует непрерывно. Прошлое ее было весьма своеобразным и не похожим на настоящее. Будущее также будет весьма отличным от всего, что мы видим сегодня. Надо также четко понимать, что при этом в будущем нет ничего фатально неизбежного для разумной жизни в широком смысле этого слова. За ничтожный (по сравнению с эволюцией Вселенной) период цивилизации человеческая мысль овладела многими тайнами природы, заставила ее законы служить человеку.

Если мы будем достаточно благоразумны, чтобы сберечь жизнь на Земле в нашу эпоху бурных социальных потрясений (а мы в Советском Союзе верим, что так будет, и боремся за это), то трудно вообразить, какого научного могущества мы достигнем через сто, тысячу, миллион, а тем более миллиарды лет. Человек (опять же в широком смысле слова) научится использовать для своего блага все законы эволюции Вселенной, научится управлять ими. Было бы наивно полагать, что Вселенная приготовила на все времена для человечества благодатные «тепличные» условия для существования. «Мы не должны ждать милости от природы. Взять их у нее — наша задача». Эти слова известного естествоиспытателя, — гордые слова, достойные человечества. Конечно, при осуществлении подобных задач в масштабах Вселенной совершенно по-новому обернутся проблемы охраны природы и другие. Но несомненно то, что будущее общество найдет способы их решить.

Подходя к концу нашего повествования, хотим еще раз напомнить, что, конечно же, серьезные изменения во Вселенной (по сравнению с нынешним ее состоянием) во всех случаях могут начаться очень не скоро не только в житейских, но и астрономических масштабах, как минимум через десятки, а может быть, тысячи миллиардов лет. Это во много раз больше нынешнего возраста видимой нами Вселенной, которой никак не больше 10–20 миллиардов лет от начала расширения.