Возникает вопрос: неограниченно ли будет продолжаться расширение Вселенной. Ответ на него в принципе прост: если плотность материи во Вселенной достаточно велика, то тяготение этой материи остановит расширение и сменит его сжатием. Если плотность мала – тяготение недостаточно, чтобы остановить расширение. Астрофизические наблюдения показывают, что средняя плотность видимой материи во Вселенной примерно в 30 раз меньше критического значения, отделяющего один случай от другого (это критическое значение плотности около 10-129 г/см3). Но, возможно, во Вселенной есть трудно обнаружимые виды материи, “скрытая масса”. Тогда плотность может оказаться выше критической.
Предположим сначала первый вариант – Вселенная неограниченно расширяется. Какие же процессы произойдут в неограниченно расширяющейся вселенной? Как они связаны с прошлым и настоящим?
“Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел, дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и попытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров”. Это слова принадлежат одному из создателей современной космологии бельгийскому астроному Ж.Леметру. Да, мы знаем, что звезды в будущем погаснут. Запасы ядерного горючего – источника энергии любой звезды, ограничены. Солнце закончит свою активную эволюцию через несколько миллиардов лет и превратится в белый карлик размером с Землю, который будет постепенно остывать. Звезды массивнее Солнца живут еще меньше. В зависимости от их массы они в конце концов превращаются либо в нейтронные звезды с поперечником всего в десятки километров, либо в черные дыры. Наконец, возможен катастрофический взрыв в конце жизни звезды. Это так называемая вспышка сверхновой звезды. Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше, но и они рано или поздно превращаются в остывшие карлики. В наше время происходят процессы возникновения звезд из межзвездной среды. Но этот процесс также ограничен во времени. В будущем все запасы ядерной энергии материи, из которых могут образоваться звезды, будут исчерпаны. Новые звезды не будут рождаться, а старые превратятся в холодные тела или черные дыры. Эта эпоха наступит не скоро, но все же этап эволюции Вселенной, когда горят звезды, и поэтому сам этап можно назвать звездным ( “звездный час Вселенной” ), закончится через 1014 лет.
Обратимся теперь к судьбам звездных систем – галактик. Они состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах их, в их ядрах, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры. Каково будущее галактик? Для их эволюции существенны очень редкие сегодня события, когда какая-либо звезда в своем движении в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами галактики приобретает большую скорость. Такая звезда покидает галактику. В результате подобных процессов звезды постепенно будут уходить из галактики, в ее центральная часть будет понемногу сжиматься. Массы вблизи центра будут падать в черную дыру. В конце концов на месте бывшей галактики останется одна сверхмассивная черная дыра, поглотившая остатки звезд центральной части галактики, а 90% всех звезд рассеется в пространстве. Этот процесс разрушения галактик закончится примерно через 1019 лет. Разумеется, все звезды к этому времени давно погаснут.
Что будет дальше?
В будущем все протоны и нейтроны распадутся. Такой процесс предсказывается современными теориями строения материи. Время этого распада t больше или равно 1032 лет. Конечными продуктами распада протонов являются позитроны, фотоны, нейтрино, а также электронно-позитронные пары.
Нейтроны, входящие вместе с протонами в состав сложных ядер, также подвержены распаду, подобно протону. Кроме того, если в результате распада протона ядро разрушается, выделяя свободные нейтроны, то эти частицы за 15 минут распадутся, как известно, на протоны, электроны и антинейтрино. Итак, во Вселенной идет очень медленный, но неуклонный процесс распада вещества, и через 1032 лет все оно полностью распадется.
Но еще задолго до этого срока распад вещества будет играть важную роль во Вселенной. Позитроны, возникающие при распаде нуклонов, аннигилируют с электронами вещества, превращаясь в фотоны, которые вместе с фотонами, непосредственно возникающими при распаде нуклонов, нагревают вещество. Только нейтрино антинейтрино свободно покидают звезду и уносят около 30% всей энергии. Процесс распада будет поддерживать температуру умерших звезд и планет на уровне хотя и низком, но все же заметно отличном от абсолютного нуля.
Итак, через 1032 лет все вещество полостью распадется, звезды и планеты превратятся в фотоны и нейтрино.
Несколько иная судьба у рассеянного в пространстве вещества – газа, который останется после разрушения галактик (по массе он может составить около 1% всего вещества). Вещество газа тоже, разумеется, распадется через t лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами, так как из-за крайней разреженности вещества вероятность столкновения позитрона и электрона очень мала. В результате образуется очень разреженная электронно-позитронная плазма.
Через t лет, в нашей Вселенной останутся еще черные дыры, возникшие из массивных звезд, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик.
Что же будет происходить во Вселенной после распада вещества? В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электрон-позитронная плазма и черные дыры. Основная часть массы будет сосредоточена в фотонах и нейтрино.
С расширением Вселенной картина изменится. При расширении плотность массы излучения (фотонов и нейтрино, которые мы считаем лишенными массы покоя) падает пропорционально четвертой степени расстояния между частицами, а средняя плотность материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр – пропорционально кубу расстояния, т.е. медленнее, чем излучения. По этому через 1033 лет плотность материи уже будет определяться, главным образом, массой, заключенной в черных дырах, где ее гораздо больше, чем в электрон-позитронной плазме.
Но и черные дыры не вечны! В поле тяготения вблизи черной дыры происходит рождение частиц. Около черных дыр с массой порядка звездной и больше рождаются, главным образом, кванты излучения. Такой процесс ведет к уменьшению массы черной дыры, постепенно переходящей в излучение – в фотоны, нейтрино и гравитоны. Черные дыры “испаряются”. Этот процесс чрезвычайно медленный. Черная дыра с массой в 10 масс Солнца “испарится” за 1069 лет, а сверхмассивнее Солнца (такие черные дыры есть, по-видимому, в центрах больших галактик), испарится за 1096 лет. Все они превратятся в излучение (т.е. в частицы без массы покоя). Излучение снова станет доминирующем по массе во Вселенной. Однако вследствие расширения Вселенной плотность излучения падает быстрее, чем плотность электрон-позитронной плазмы, и через 10100 лет эта плазма станет доминирующей. Итак, через 10100 лет во Вселенной не останется практически ничего, кроме электрон-позитронной плазмы ничтожной плотности.
На первый взгляд, картина эволюции Вселенной в отдаленном будущем выглядит весьма пессимистически. Это картина постепенного распада, деградации, рассеяния, в известном смысле напоминающая картину тепловой смерти.
Да будет так,
Ведь есть всему начало,
и есть конец логической игры…
И слово, что исток обозначало,
над бездною когда-то прозвучало,
из мрака вызвав звездные миры.
Когда же обесценится творенье,
и разум тот пресытится игрой –
то распадутся призрачные звенья,
исчезнет Время, кончится Движенье…
И будет Свет
над вечной пустотой.
М. Катыс
Когда нашей Вселенной будет 10100 лет, в мире останутся практически только электроны и позитроны с устрашающе ничтожной плотностью, рассеянные в пространстве. Одна частица будет приходится 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 систем, а тем более, разума в какой бы то ни было форме? Нет, такой вывод не верен!
Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедленны. Но это с нашей точки зрения! Ведь, и пространственные масштабы тогда будут несравненно грандиознее современных. В самом начале расширения нашей Вселенной, когда температуры были, например, 1027К и происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10-34 с, а масштабы 10-24 см. С точки зрения тех процессов, сегодняшние события нашей Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно протяженное в пространстве и очень медленное. Вселенная не считается с нашими вкусам. В будущем жизнь нашей Вселенной будет продолжаться, хотя и в весьма своеобразных формах.
Во всей Вселенной в целом жизнь нашего типа, вероятно всегда будет существовать, так как всегда будут области нашего типа с плотностью 10-29 г/cм3. Один из основных выводов теории самовосстанавливающейся Вселенной, это то, что всегда будут существовать экспоненциально большие области Вселенной, способные поддерживать существование жизни нашего типа.
Однако мы пока рассмотрели только вариант вечно расширяющейся Вселенной.
Возможно, плотность вещества во Вселенной все же больше критического значения. Тогда в будущем расширение нашей Вселенной сменится сжатием. Такая сжимающаяся Вселенная снова станет горячей и придет в конце концов к сингулярному состоянию материи. Если это и случится, то очень нескоро, не раньше десятков миллиардов лет.