Некоторые говорят, что Вселенная начнет расширяться все быстрее, объекты в ней будут разорваны на атомы и все мы умрем. Другие говорят, что Вселенная будет сжиматься, пока не станет размером с точку, и мы все умрем. Так кому верить и что на самом деле думают ученые о смерти Вселенной?
Смерть Вселенной
Согласно современным научным представлениям, Вселенная родилась примерно 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва. В самом начале своего существования он представлял собой компактный объект с бесконечной плотностью, внутри которого находилось все вещество, энергия, пространство и само время, но постепенно приобрел современный вид.
Однако наш земной опыт подсказывает нам, что ничего нескончаемого не бывает. Все живые существа в конце концов умирают и даже горы со временем превращаются в пыль. Однако когда речь заходит о мире вне нашей планеты, наши представления часто оказываются ошибочными. Так ли это в случае смерти Вселенной?
Время от времени отдельные ученые публикуют исследования, в которых заявляют, что Вселенная умрет за какое-нибудь большое, но окончательное количество лет. Остальное научное сообщество обычно до таких исследований остается относительно безразличным, хотя в целом все согласны с тем, что что-то подобное смерти со Вселенной все же произойдет. Что именно, как и при каких условиях — достаточно сложная история, но в ней можно разобраться.
Лямбда-член
Чуть больше века назад в науке доминировало мнение, что наша Вселенная стабильна, бесконечна и вечна. Нет ни начала, ни конца. И Альберт Эйнштейн решил создать уравнение, описывающее такой мир. Сегодня оно выглядит следующим образом:
Если вы думаете, что оно выглядит страшновато, то это еще упрощенная форма, потому что на самом деле он составил систему уравнений. Однако главное, что нужно знать об этой записи, которая называется уравнение поля Эйнштейна, — это то, что она соединяет массу, энергию, гравитацию, пространство и время в одно целое.
Однако самая интересная его часть — ?g??, особенно величина ?. В первом варианте уравнений ее не было, но Вселенная, которую они описывали, была нестабильной. Поэтому Эйнштейн добавил этот элемент, при этом не думая, что это такое и чему должно равняться. Просто без этой штуки, которая стала известна как лямбда-член, уравнения не работали.
Сам Эйнштейн рассматривал лямбда-член лишь как математический трюк, однако его коллега Александр Фридман в 1922 году показал, что при разных его значениях можно получить описание Вселенной, которая имеет разную кривизну и может расширяться и сжиматься с ускорением. Автор теории относительности пытался отрицать все эти постройки, но в конце концов так и не смог этого сделать.
В максимально упрощенной формулировке ? — это сила тяготения пустого пространства. В классической физике и теории относительности она равна нулю, но из никаких теоретических предпосылок это не следует. Почти весь ХХ век наблюдения за Вселенной показывали, что Эйнштейн прав, пустота не рождает гравитации и все построения Фридмана не имеют смысла.
Однако в 1997 году наблюдение за сверхновыми звездами показало, что существует гравитационное ускорение, которое невозможно объяснить ни видимой материей, ни темной. А значит, лямбда-член таки не равен нулю. Для объяснения этого пришлось ввести темную энергию, существование которой крайне трудно доказать другими методами, но главное — это то, что сценарии Фридмана теперь имеют смысл и зависит от них судьба Вселенной.
Три сценария гибели Вселенной
Согласно данным коллаборации Plank, опубликованным в 2020 году, Λ = 1,0905·10−52 м−2. То есть это величина, которая лишь немного отличается от нуля в положительную сторону. Ученые не совсем уверены, что эта величина остается постоянной в других частях Вселенной — да и вообще, что она не меняется со временем. Поэтому потенциально возможными остаются все три сценария гибели Вселенной. Поэтому потенциально возможны все три сценария смерти Вселенной.
Первый из них описывает ситуацию, когда ?=0 или чрезвычайно близка к этому значению. При нем расширение или сжатие Вселенной происходят очень медленно, гравитация пустоты практически не влияет на эволюцию Вселенной, и на первый план выходит процесс роста энтропии.
Количество доступной в результате химических и ядерных преобразований энергии будет снижаться, газа для формирования звезд и планет будет становиться все меньше. Соответственно среди новорожденных светил уменьшится доля гигантов и увеличится количество красных карликов. Среди общего количества светил во Вселенной будет расти доля белых карликов и нейтронных звезд. Как следствие — он будет становиться все более тусклым и темным.
Через триллионы и квадриллионы лет от настоящего, основными источниками излучения станут падение вещества на черные дыры и распад протонов. Но потом, из-за невероятно большого количества лет, станут невозможными и эти процессы. Вселенная замрет на самых низких возможных уровнях энергии.
Этот сценарий называется Большим замерзанием, или тепловой смертью. И он, учитывая, что мы о Вселенной знаем, кажется наиболее вероятным. Радует одно: будет все это очень и очень нескоро. Настолько нескоро, что прошедшие с Большого взрыва те 13,8 млрд лет могут показаться мгновенно.
Другое дело — Большой разрыв. Это — второй вероятный сценарий смерти Вселенной, и он состоится, если ? гораздо больше нуля и за то значение, которое определено для нее сейчас. Достоверность такого сценария невысока, но она есть.
При большом разрыве сила тяжести пустоты будет растягивать пространство все сильнее и сильнее. Сначала разрушатся сверхскопления галактик, затем связь между собой потеряют члены Местной группы. Далее на отдельные звезды распадется Млечный Путь. Планеты лишатся связи со звездами и все типы объектов начнут распадаться, пока в космосе не останутся лишь отдельные элементарные частицы.
Хотя возможность такого развития событий имела, ожидаемое время смерти Вселенной в этом случае значительно меньше, чем при Великом замерзании. По последним оценкам, это может произойти уже через 200 млрд. лет. Правда, и это достаточно немало.
Наконец, есть еще и третий вариант, если лямбда-член имеет отрицательное значение. Он называется Большим сжатием. При нем мы должны увидеть, как галактики перестают разбегаться во все стороны и гравитация пустоты начинает толкать их вместе. Далее то же происходит со звездами и в конце концов мы возвращаемся в тот невероятно плотный и горячий момент, из которого Вселенная и родилась. Возможно, его ждет новое начало и все повторится снова, но человечество этого события не переживет.
Большое сжатие — наименее вероятный сценарий с точки зрения традиционной физики, однако различные альтернативные теории признают отрицательное значение космологической постоянной очень вероятным. Они же рисуют абсолютно апокалиптическую картину, согласно которой она должна закончиться уже через 33 млрд лет после Большого взрыва. А поскольку с начала Вселенной прошло уже 13,7 млрд лет, то у нас осталось еще примерно 20 млрд.
Критическая плотность Вселенной
На самом деле судьба Вселенной также зависит от того, какова его плотность относительно определенной величины, которая называется критической плотностью. Ибо от этого зависит то, какую топологию он имеет и какие сценарии в нем возможны, а какие — нет. Например, если плотность выше критической, мы имели бы закрытую Вселенную, где сумма углов треугольника, по крайней мере на космических расстояниях, всегда больше 180°, а параллельные линии всегда когда-то сходятся в одной точке. В целом же Вселенная в этом случае должна напоминать замкнутый пузырь.
При такой геометрии, Вселенная всегда пытается встать обратно в сингулярность, но если в ней достаточно темной материи, она будет расширяться вечно. Это справедливо и для нашей Вселенной, где доля темной энергии составляет 68 % ее общей массы. Чтобы в закрытой Вселенной произошло схлопывание, нужно, чтобы плотность обычной материи была выше той, что мы наблюдаем, в 17 раз.
Иная ситуация возникает, если плотность Вселенной меньше критической. В таком случае она имеет отрицательную кривизну и образует поверхность, похожую на седло. Наиболее вероятными сценариями ее гибели считают тепловую смерть и Большой разрыв. Только очень большое отрицательное значение космологической постоянной может вызвать ее сжатие.
Наконец, критическая плотность Вселенной может быть равна единице. Исследования показывают, что у нас так и есть. Параллельные линии остаются параллельными на любых достаточно больших масштабах, а сумма углов треугольника всегда равна 180°.
В таком случае все зависит от того, ощутимо ли влияние космологической переменной. Если она равна нулю, то Вселенная будет расширяться вечно, постепенно замедляясь. А значит — нас ждет тепловая смерть. Если же ? отлична от нуля, то все произойдет, как и во Вселенной с отрицательной кривизной.
Непредсказуемый лямбда-член
Но все вышесказанное верно только для теорий, которые рассматривают физику космоса более или менее традиционным образом. А у такого взгляда есть одна существенная проблема. Никто не может объяснить, откуда берется притяжение пустоты.
Точнее, в квантовой теории поля, теории, лежащей в основе квантовой механики, есть объяснение, что это — энергия вакуума, но эта же теория предполагает, что величина космологической постоянной должна быть примерно на 60 порядков (то есть в единицу-и-шестьдесят-нулей-после-нее раз) больше, чем наблюдается. И это уже — после последних корректировок, потому что раньше эта разница составляла от 120 до 122 порядков. Худшее предсказание в истории.
Именно поэтому некоторые вообще ставят все теоретические построения вокруг космологической устойчивой под сомнение. Ведь то, что за нее отвечает темная энергия, только предположение. Да и то, что ? должна быть константой, ниоткуда не следует. Есть только член уравнения и есть наблюдения, которые соответствуют определенному его значению здесь и сейчас. Они вполне могут изменяться как в пространстве, так и во времени. А это значит, что сценарии смерти Вселенной могут быть гораздо более интересными и нестандартными, чем мы думаем.
