Глава 5
Эпоха вечной тьмы
Практически умирающая Вселенная борется с космологической тепловой смертью и сталкивается с возможностью фазовых переходов, способных преобразовать ее до неузнаваемости.
Сто восемьдесят пятая космологическая декада:
Это пришло молча, без каких бы то ни было предупреждений. Каждая космическая структура, которой оно коснулось, утрачивала свою форму и теряла вид. Это разрушение пугало как своей жуткой стремительностью, так и полным опустошением, которое несло.
Ударная волна зарождалась в какой-то определенной, но достаточно незаметной точке пространства-времени и распространялась с невероятной скоростью, быстро приближающейся к скорости света. Затем расширяющийся пузырь охватывал все увеличивающуюся часть Вселенной. Из-за своей феноменальной скорости эта ударная волна вторгалась в области пространства без предупреждения. Ни световые сигналы, ни радиоволны, ни какое-либо причинное сообщение не могли опередить надвигающийся фронт и предупредить о грядущей кончине. Готовиться было как невозможно, так и бесполезно.
Внутри этого пузыря законы физики, а следовательно, и сам характер Вселенной изменялись до неузнаваемости. Значения физических постоянных, величины фундаментальных сил и массы элементарных частиц были совсем другими. В этом мире «Алисы в стране чудес» правили новые физические законы. Старая Вселенная с ее старой версией физических законов попросту прекратила свое существование.
Эту гибель и разрушение старой Вселенной можно было бы оплакивать. Но, с другой стороны, этот естественный ход событий можно было бы счесть недурным поводом для празднования. Ведь внутри этого пузыря, с его новыми физическими законами и, соответственно, новыми возможностями для развития сложности и структуры, Вселенная обрела новое начало.
После того как через излучение Хокинга испарились черные дыры, Вселенная вновь изменяет свой «имидж». Когда, начиная, вероятно, с сотой космологической декады или около того, на Вселенную опускается вечная всеобъемлющая ночь, она выглядит совсем не так, как в любую из предыдущих эпох. В эту холодную эпоху Вселенная состоит только из самых мелких разновидностей элементарных частиц и излучения с крайне низкой энергией и большой длиной волны. Давным-давно распались протоны, а с их уходом исчезло и обычное барионное вещество.
Эта маломощная Вселенная несет в себе некоторое сходство с очень ранней Вселенной, с первой секундой истории космоса, когда единственными его составляющими были элементарные частицы и излучение. Однако в случае очень ранней Вселенной фоновые энергии были слишком высокими, чтобы позволить существование каких-либо сложных структур типа звезд или даже тяжелых ядер. В отдаленном будущем Вселенная не содержит сложных структур по совсем другой причине: она настолько стара, что все традиционные сложные объекты уже давно распались.
На протяжении большей части космической истории Вселенную питал непрерывный ряд звездных объектов. Сначала энергию поставляли обычные звезды, существовавшие за счет ядерных реакций, протекавших в их недрах. В следующую эпоху всем распоряжались вырожденные звездные объекты, которые захватывали частицы темной материи для аннигиляции, служившей источником энергии. В конце концов, вырожденные остатки использовали в качестве топлива даже составляющие их протоны и нейтроны. Наконец, оставшиеся черные дыры пожертвовали своей массой-энергией и испарились. После окончательной гибели этого величественного звездного механизма Вселенная вынуждена довольствоваться лишь жалкими разреженными парами.
На фоне этого пустынного космологического ландшафта Вселенная сталкивается с возможностью тепловой смерти, т. е. достижения статического состояния с однородной температурой, в котором более невозможны интересные события. Однако, несмотря на кажущуюся простоту этой поздней эпохи, в этот космический конец игры может произойти множество захватывающих событий. Космологический фазовый переход, описанный в начале этой главы, — лишь одна из возможных катастроф, ожидающих того часа, когда наша умирающая Вселенная вступит в эпоху вечной тьмы.
Тени эпохи вечной тьмы
Рассмотрение содержимого Вселенной в начале эпохи вечной тьмы, скажем в сотую космологическую декаду, — предприятие неопределенное. Общее правило гласит, что, чем в более отдаленное будущее мы экстраполируем физический закон, тем менее точные предсказания мы получаем. И все же мы в состоянии дать разумную оценку типов и относительных количеств частиц и излучения, имеющихся в эту будущую эпоху. Несмотря на то, что нам хотелось бы знать больше, замечательно уже то, что современная наука хоть что-то может сказать об этом будущем периоде времени, столь отдаленном от настоящего момента.
Элементарные частицы
Главными составляющими эпохи вечной тьмы являются электроны и позитроны. Откуда возьмутся эти частицы? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется рассмотреть прошлую историю Вселенной вплоть до этого времени. Заселить эту будущую эпоху могут несколько различных астрономических источников позитронов, электронов и других частиц.
Одно важное ограничение на список частиц будущего состоит в том, что природа, судя по всему, строго следует закону сохранения заряда. Другими словами, во Вселенной содержатся равные количества положительно и отрицательно заряженных частиц. Из-за этой фундаментальной симметрии между положительным и отрицательным каждый сохранившийся позитрон (имеющий положительный электрический заряд) должен иметь парный электрон где-то во Вселенной.
В настоящее время наиболее привычный нам тип вещества, барионное вещество, состоит, главным образом, из водорода. Когда внутри водородного атома распадается протон, он часто оставляет после себя позитрон. Электрон водородного атома изначально остается нетронутым, поэтому в конечном итоге образуется электрон-позитронная пара. Однако большая часть вещества, относящегося к этому барионному типу, перерабатывается в звездах и, в конце концов, оседает в вырожденных недрах белых карликов и прочих звездных остатков. Когда эти объекты медленно испаряются в ходе протонного распада, оставшиеся позитроны оказываются в плотной среде. Продукты распада окружает густое электронное облако, в силу чего позитроны получают более чем достаточную возможность для аннигиляции. Таким образом, почти вся масса-энергия обычного барионного вещества превращается в излучение, состоящее, главным образом, из фотонов и нейтрино.
И только неизрасходованные протоны — те, что не заканчивают свою жизнь в звездах, — могут дать позитроны, способные дожить до отдаленного будущего Вселенной. Поскольку звезды образуются не со стопроцентной эффективностью, какая-то доля водорода и других элементов остается в виде размытого сгустка газообразных отходов. Однако то, что в одну эпоху считается никуда не годными отходами, в будущую эпоху может стать самым ценным товаром. Когда распадутся протоны в этой рассеянной среде, произведенные ими позитроны будут иметь гораздо более высокие шансы избежать аннигиляции и дожить до эпохи вечной тьмы. Даже несмотря на то, что большая часть барионного вещества оказывается запертой в вырожденных звездных остатках, большинство позитронов будущего появляются из газообразного «мусора», оставшегося после образования звезд.
Свой вклад в реестр частиц будущего вносит и небарионная темная материя современной Вселенной. Это слабо взаимодействующее вещество в настоящее время находится в галактических гало, скоплениях галактик и других крупных астрофизических структурах. Немалую часть этой темной материи, как мы уже описывали в третьей главе, захватят вырожденные звездные остатки. Захваченные частицы аннигилируют, а продукты их аннигиляции термализуются в плотных недрах звезд. Итогом этого процесса становится превращение значительной части массы темной материи в излучение, которое опять-таки состоит, в основном, из фотонов и нейтрино.
Однако захват частиц темной материи происходит не со стопроцентной эффективностью. Некоторой доле счастливчиков удается его избежать и дожить до далекого будущего. В долгосрочной перспективе судьба этих выживших частиц темной материи не определена. Поскольку точная природа темной материи нам не известна, не знаем мы и время жизни этих «находящихся в самовольной отлучке» частиц. Разрешенное время жизни таких частиц может быть длиннее или короче времени, оставшегося до начала эпохи вечной тьмы, в силу чего сами частицы темной материи могут до нее дожить, а могут и не дожить. Однако даже если частицы темной материи распадаются, продукты их распада могут внести интересный вклад в будущую Вселенную.
Черные дыры также делают свой вклад в содержимое Вселенной в эпоху вечной тьмы, извергая в космическое пространство частицы в процессе испарения Хокинга, описанного в четвертой главе. Этот механизм разрушения превращает большую часть массы черной дыры в излучение: главным образом, нейтрино и фотоны, с небольшой примесью гравитонов. В самом конце жизни черной дыры ее температура становится достаточно высокой, чтобы по мере ускорения испарения начали образовываться более тяжелые частицы. В частности, черная дыра производит немалые количества электрон-позитронных пар. И все же из рассеянного водорода — газа, не переработанного в звездах в конце эпохи звезд, — электронов и позитронов образуется намного больше, чем при испарении черных дыр.
В последние мгновения жизни черной дыры, непосредственно перед ее финальным взрывом, температура ее поверхности настолько высока, что образуются частицы практически любого вида, хотя и в относительно небольших количествах. Таким образом, черные дыры производят смесь элементарных частиц, которые могут дожить до эпохи вечной тьмы. Ассортимент вновь созданных массивных частиц содержит протоны — строительные кирпичики, составляющие современное обычное вещество. Однако этим протонам суждено распасться в ходе того же процесса, который бессчетное число лет назад обозначил конец эпохи распада. В результате эти протоны оказывают относительно малое влияние на эпоху вечной тьмы.
Этот беглый взгляд в будущее предлагает крайнюю перемену перспективы. Время жизни протона, измеряемое часами человеческой жизни, или даже настоящим возрастом Вселенной, равным десяти миллиардам лет, настолько велико, что мы обычно считаем, что протоны живут вечно. Однако когда протоны образуются в процессе испарения черных дыр, время их жизни так мало, по сравнению с возрастом будущей Вселенной, что они вполне могли бы распасться мгновенно.
Плотность Вселенной в эту будущую эпоху невероятно мала, настолько мала, что это сложно представить даже в общих чертах, не говоря уже о том, чтобы полностью понять. Ради ясности, остановимся на плотности позитронов. Плотность электронов должна быть точно такой же, так как физический закон требует сохранения заряда. Других частиц ожидается еще меньше, поэтому их плотность будет еще ниже.
В настоящее время плотность протонов во Вселенной составляет приблизительно одну частицу на кубический метр. Это очень средняя цифра, которая учитывает все протоны в чрезвычайно больших масштабах, превышающих галактики. Теперь предположим, что эффективность образования звезд составляет девяносто девять процентов, и лишь один процент этих протонов остается в виде рассеянных газообразных отходов. Если бы Вселенная не расширялась, она осталась бы примерно с одним позитроном на каждые сто кубических метров: низкая плотность — ничего не скажешь, но такую плотность мы хотя бы можем себе представить.
Но Вселенная расширяется, и к началу эпохи вечной тьмы она расширится довольно значительно. В случае плоской Вселенной, которая расширяется вечно, хотя это расширение со временем замедляется, Вселенная увеличивается в 10 60 раз от настоящего момента до начала эпохи вечной тьмы. При таком большом коэффициенте расширения будущая плотность позитронов составляет примерно одну частицу на каждые 10 182 кубических метров. Чтобы получить хоть какое-то ощущение невероятного размера этого объема, вспомним, что вся видимая сегодня Вселенная имеет объем «всего» в 10 78 кубических метра. Другими словами, плотность позитронов в эпоху вечной тьмы составила бы около одной частицы на объем, в 10 104 раз превышающий современную Вселенную.
В другом возможном случае — открытой Вселенной, которая расширяется еще быстрее, — плотность будет еще ниже. К началу эпохи вечной тьмы открытая Вселенная увеличивается в 10 90 раз. При таком громадном коэффициенте расширения, в 10 30 раз превышающем рассмотренный выше, плотность открытой Вселенной в 10 90 раз меньше плотности плоской Вселенной. Один-единственный позитрон будет обитать в объеме, в 10 194 раз превышающем объем современной Вселенной. Подобную необъятность, как ни старайся, крайне сложно представить визуально.
Фоновые излучения
Другой важной составляющей будущей Вселенной является излучение, причем поля этого излучения генерирует множество разных источников. По мере старения космоса в фоновом излучении Вселенной в различные космологические декады будут по очереди доминировать разные поля излучения. Каждому отдельному классу излучения суждено ослабевать, по мере того как Вселенная расширяется и составляющие его фотоны последовательно смещаются сначала к красному краю спектра, а потом и вовсе выходят за его пределы (см. рис. 22).
Рис. 22. На данном рисунке вклад, который различные процессы вносят в фоновое излучение Вселенной, изображен как функция времени для космологических декад от пятой до девяностой. Вертикальная ось представляет относительную энергию в излучении от нескольких источников: излучения, оставшегося от первичной Вселенной, света звезд, аннигиляции темной материи, распада протона и испарения черных дыр
По мере расширения Вселенной увеличивается длина волны излучения. Эта существенная особенность определяет будущую эволюцию и влияние космического фонового излучения. Излучение можно понимать как совокупность «частиц излучения», которые мы называем фотонами. Когда Вселенная расширяется, ее объем увеличивается, а численная плотность фотонов падает. Но при этом увеличивается также и длина волны фотонов, а следовательно, уменьшается энергия каждого фотона. Из-за этого дополнительного увеличения длины волны, также именуемого красным смещением, фотоны в расширяющейся Вселенной теряют энергию быстрее обычных массивных частиц.
В настоящее время космическое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, — это самое интересное, с точки зрения энергии, и самое важное для космологии поле излучения. Сейчас фактическая температура этого излучения составляет три градуса Кельвина, а характеристические длины его волн — от одного до двух миллиметров. В будущем, с расширением Вселенной, длина волны этого излучения значительно увеличивается. Плоская Вселенная, например, между настоящим моментом и началом эпохи вечной тьмы вырастает в 10 60 раз. Это расширение вытягивает космическое фоновое излучение до колоссальных длин волн, равных 10 41 световых лет — много больше размера видимой сегодня Вселенной.
По мере старения Вселенной большую важность приобретают другие источники фонового излучения. В наше время звезды непрерывно выдают энергию в виде своего света, тогда как космическое фоновое излучение остается «в тени» из-за эффекта красного смещения. Фоновое море звездного излучения, в конечном итоге, воспреобладает над излучением, оставшимся после Большого взрыва; это произойдет в двенадцатую космологическую декаду. В относительно близком будущем это излучение будут производить преимущественно красные карлики — самые маленькие, многочисленные и долго живущие звезды. Эти относительно прохладные звезды испускают излучение с характеристической длиной волны около одного микрона — одной миллионной метра. С расширением Вселенной растягивается и это излучение, так что к началу эпохи вечной тьмы длина его волны увеличивается почти до 10 37 световых лет.
Захват и аннигиляция частиц темной материи в белых карликах служит еще одним важным источником излучения в будущей Вселенной. В результате этого процесса значительная доля массы-энергии галактических гало превращается в излучение, которое становится доминирующим фоном в семнадцатую космологическую декаду. Когда в эпоху распада это излучение испускают поверхности белых карликов, длина его волны равна порядка пятидесяти микрон, или одной двадцатой миллиметра. По мере дальнейшего увеличения Вселенной длина волн этих фотонов тоже увеличивается.
Конец эпохи распада отмечен распадом протонов и превращением обычного барионного вещества в излучение. Учитывая предполагаемое время жизни протона, этот источник лучистой энергии начинает доминировать в универсальном фоне в тридцать первую космологическую декаду. Характеристическая длина волны этого излучения начинается примерно с одного дюйма и в процессе беспрестанного расширения Вселенной со временем увеличивается.
Наконец, где-то в районе шестидесятой космологической декады испаряются черные дыры, и их масса покоя, в конце концов, преобразуется в фотоны и нейтрино, которые на кое-то время преобладают в общем фоне излучения. Черные дыры с массами звезд испускают излучения с характеристической длиной волны в несколько километров, что сравнимо с их радиальным размером. Черные дыры с более высокой массой имеют, соответственно, более низкие температуры и излучение с более длинными волнами. «Чудовища», которые весят как миллиард Солнц, — черные дыры, в настоящее время обитающие в центрах активных галактик, — имеют характеристические длины волн в миллиарды километров, что приблизительно равно размеру нашей Солнечной системы. Все это излучение, ясное дело, вытягивается в процессе непрерывного расширения фонового пространства-времени Вселенной.
Тепловая смерть
Процессы, происходящие в нашей Вселенной, постепенно замедляются по мере того, как она приближается к эпохе вечной тьмы. Но остановятся ли они когда-нибудь полностью или просто замедлятся настолько, что Вселенная перестанет быть интересным местом? Можем ли мы достигнуть какого-то времени в будущем, когда не происходит совсем ничего интересного? Из-за своей тесной связи с термодинамикой идея о замедлении Вселенной до полной остановки называется тепловой смертью. Возможность тепловой смерти Вселенной волновала многих философов и ученых, начиная с середины девятнадцатого века, когда был впервые установлен второй закон термодинамики. Споры, касающиеся тепловой смерти, могут принимать различные формы. Мы используем термин классическая тепловая смерть для обозначения Вселенной, достигающей абсолютного термодинамического равновесия. В этом состоянии каждая точка пространства Вселенной имеет постоянную температуру. В отсутствие разницы температур не может функционировать ни один тепловой двигатель и не может выполняться работа. Не имея способности выполнить физическую работу, Вселенная «останавливается» и становится довольно безжизненным и инертным местом.
Как же происходит эта тепловая смерть? Второй закон термодинамики гласит, что общая энтропия физической системы никогда не уменьшается (в этом случае системой является вся Вселенная). Однако энтропия может оставаться постоянной и не меняться со временем. Проблема в том, что физические процессы, которые не создают энтропию, обычно не особенно интересны. Таким образом, в общем случае нам хотелось бы, чтобы Вселенная изобиловала процессами, образующими энтропию. Все физические системы имеют тенденцию достигать состояния термодинамического равновесия, соответствующего состоянию максимальной энтропии. В состоянии термодинамического равновесия все части физической системы имеют одинаковую температуру и энтропия остается строго постоянной. Таким образом, если будет достигнуто термодинамическое равновесие, во Вселенной прекратятся интересные процессы.
Современная Вселенная достаточно далека от состояния термодинамического равновесия. Фоновая температура Вселенной невысока: всего три градуса Кельвина, примерно на 270 градусов ниже точки замерзания воды (по шкале Цельсия). Этот холодный фон служит резким контрастом по сравнению с пылающими поверхностями звезд, имеющими широкий диапазон температур от четырех до сорока тысяч градусов Кельвина. Такая неравновесная природа Вселенной разрешает интересные процессы. Тепло переходит от горячих поверхностей звезд в космическое пространство, согревая планеты, управляя погодой в их атмосферах и даже позволяя зарождение и развитие жизни. Вселенная работает как гигантский тепловой двигатель. И разница температур жизненно необходима. Если бы Вселенная достигла состояния теплового равновесия и приобрела постоянную температуру в каждой точке пространства, то она утратила бы возможность выполнять работу, что исключило бы интересные процессы вроде биологической эволюции.
При обсуждении термодинамики часто возникает широко распространенное ошибочное представление — мнимый парадокс, связанный с тем, как вообще могут образоваться хоть какие-то сложные структуры, когда закон требует, чтобы энтропия возрастала всегда. Ведь энтропия — это все-таки мера беспорядка системы. Если же сложные системы являются высоко упорядоченными, как они вообще могут возникнуть, не нарушая закона об увеличении энтропии? Этот мнимый парадокс решается легко: увеличиваться должна общая энтропия системы, а энтропия одной ее части может уменьшаться, вследствие чего одна ее часть может стать высоко упорядоченной. Но если одна часть системы становится высоко упорядоченной и теряет энтропию, система в целом должна заплатить за это, в целях компенсации увеличив свою энтропию в какой-то другой части.
В контексте современной космологии температура Вселенной постоянно изменяется, в силу чего существенно варьируется и ответ на вопрос о тепловой смерти. Непрерывно расширяющаяся Вселенная никогда не достигает истинного термодинамического равновесия, т. к. она никогда не приобретает постоянной температуры. Из-за расширения фоновая температура Вселенной продолжает падать. Таким образом, Вселенная явно избегает классической тепловой смерти. Однако расширяющаяся Вселенная, в принципе, может стать чисто адиабатической, а это означает, что энтропия данной области Вселенной остается постоянной. В этом случае Вселенная все равно имеет все шансы стать скучным и мертвым местом, лишенным всяческой способности к выполнению физической работы. Последнюю возможность мы называем космологической тепловой смертью: это фактическая тепловая смерть Вселенной, даже несмотря на то, что ее температура не постоянна. Как мы отмечаем на протяжении всей этой книги, интересные космологические процессы продолжают вырабатывать энергию и энтропию в нашей Вселенной, по крайней мере, до сотой космологической декады. Так что космологическая тепловая смерть откладывается до того времени, когда Вселенная вступает в эпоху вечной тьмы.
Механизмы образования энергии и энтропии, доступные Вселенной, зависят от вида долгосрочной эволюции. В случае замкнутой Вселенной она, в конечном итоге, пережила бы повторный коллапс и закончила свой жизненный путь в Большом сжатии, поэтому вопрос о долгосрочном образовании энтропии даже бы не возник. Интересные физические процессы продолжались бы во Вселенной до самого последнего мгновения Большого сжатия. Некоторая доля иронии присутствует в терминологии этого повествования: замкнутая Вселенная может избежать оскорбительной тепловой смерти даже тогда, когда ее сложные структуры испаряются под действием сильного лучистого тепла, образующегося в результате катастрофического коллапса.
В случае плоской Вселенной, которая замедляется, продолжая расширяться, на космологическом горизонте появляются и становятся связанными действием гравитации космические структуры постоянно увеличивающегося размера и массы. Поскольку расширение Вселенной замедляется, гравитация, по мере старения Вселенной, получает шанс стягивать материал все с больших и больших расстояний. В плоской Вселенной космические структуры гигантских размеров могут образовываться даже в эпоху вечной тьмы. Конечно же, эпоха вечной тьмы не обязательно абсолютно темна. Некоторые из этих огромных космических структур, в принципе, могут коллапсировать, образуя черные дыры, а следовательно, предыдущая эпоха черных дыр в действительности может вообще не закончиться. Может случиться и так, хотя гарантировать этого мы не можем, что черные дыры будут образовываться быстрее, чем испаряться. В этом случае Вселенная могла бы продолжить поддерживать различные процессы, используя энергию, образующуюся в результате испарения Хокинга этих чудовищных черных дыр. Таким образом, Вселенная, по крайне мере в принципе, может избежать космологической тепловой смерти, пока остается почти плоской. В этом случае война между гравитацией и термодинамикой переходит в патовую ситуацию. Гравитация непрерывно создает все более крупные гравитационно связанные структуры — черные дыры — и одерживает временную победу. Однако каждой отдельной структуре суждено испариться, что приведет к окончательной победе термодинамики и производству энтропии.
С другой стороны, если Вселенная открыта, скорость ее расширения достигает постоянного значения, и гравитация явно проигрывает свое сражение с этим расширением: она уже не может конкурировать с ним. Образование космических структур прекращается на каком-то определенном масштабе, а для продолжения образования черных дыр или любых космических структур возникают серьезные препятствия. Для этого случая вопросы долгосрочного производства энтропии и космологической тепловой смерти Вселенной по-прежнему открыты. И хотя эти перспективы могут показаться довольно унылыми, во Вселенной по-прежнему остается много захватывающих новых возможностей.
Жизнь и смерть позитрония
Вероятно, самым оживленным действом в эпоху вечной тьмы будут процессы с участием атомов позитрония. В отсутствие протонов и нейтронов обычные атомы невозможны. С другой стороны, в относительно больших количествах будут существовать позитроны — положительно заряженные антиматериальные партнеры электронов. Электроны и позитроны могут объединиться в атомные структуры, аналогичные традиционным атомам водорода, состоящим из одного протона и одного электрона. Атом, образованный позитроном и электроном, называется позитронием.
Атомные свойства позитрония заметно отличаются от свойств традиционных атомов в двух отношениях. Поскольку масса позитрона в две тысячи раз меньше массы протона, изменяются орбиты электронов. Таким образом, химия позитрония весьма отличается от химии водорода. Однако гораздо важнее то, что позитрон и электрон могут аннигилировать друг с другом, на что не способны протон и электрон в обычном водородном атоме. Так что судьба атомов позитрония решается в момент их образования. При наличии достаточного времени электрон и позитрон должны аннигилировать друг с другом, образуя крошечный выброс излучения.
Синтез атомов позитрония в земных лабораториях — дело довольно обычное. Обычно эти атомы создаются в низкоэнергетических состояниях и имеют микроскопические размеры, примерно сравнимые с размером обычных атомов. Эти микроскопические атомы позитрония живут лишь крошечную долю секунды, по истечении которой исчезают из Вселенной в результате аннигиляции. Это короткое время жизни, крайне неудовлетворительное для нас, обусловлено крошечным размером, с которым рождаются эти атомы.
К счастью, в очень поздней Вселенной фоновая плотность сильно размыта и образующиеся атомы позитрония имеют орбиты невероятно больших радиусов. Типичный размер позитрония, образованного в эпоху вечной тьмы, составляет триллионы световых лет — больше, чем вся видимая сегодня Вселенная. Предполагается, что образование позитрония этого типа начнется где-то около семьдесят первой космологической декады. Эти огромные атомы рождаются в состояниях относительно высоких энергий по сравнению с микроскопическими атомами позитрония, которые так быстро распадаются. Электрон и позитрон медленно вращаются вокруг друг друга и постепенно отдают чрезвычайно маленькие количества излучения при постоянном уменьшении их орбит. Эти частицы кружатся в экзотическом танце, который в конечном итоге приводит к полному разрушению его участников и абсолютному краху накопленной ими энергии. Атомы позитрония с такими огромными начальными размерами распадаются по истечении довольно долгого промежутка времени — около ста сорока пяти космологических декад. Таким образом, будущая Вселенная содержит окно времени, в течение которого позитроний может образоваться и существовать, до того как произойдет его неизбежное саморазрушение. Середина этого окна приходится примерно на сотую космологическую декаду — время, когда, напоследок вспыхнув, Вселенную покидают черные дыры с галактическими массами.
Здесь возникает важный вопрос: способны ли эти атомы позитрония, или, быть может, еще более необычные атомные структуры будущего, объединиться, образуя хоть какие-то сложные объекты. Возможны ли в этом темном будущем процессы, хотя бы отдаленно напоминающие химические реакции, которые мы видим на Земле сегодня? Достаточно ли ста сорока пяти космологических декад, чтобы произошла какая-либо «биологическая» эволюция? Как выглядели бы формы жизни, существующие в эту эпоху? Эти вопросы остаются без ответа, но именно в них содержится ключ к возможным жизненным процессам в эпоху вечной тьмы.
Образование и окончательное разрушение позитрония представляет собой еще один этап непрерывной борьбы гравитации и термодинамики — противостояние, которое существует и в эпоху вечной тьмы. В эту позднюю эпоху образование позитрония, в сущности, обусловлено электрическим притяжением частиц, хотя силы гравитации могут объединять даже большие группы частиц. Несмотря на то, что, по меркам современной Вселенной, эти атомы позитрония — истинные долгожители, они представляют собой преходящие структуры и все равно распадутся, превратясь в излучение. Таким образом, — неизбежная гибель позитрония — это еще одна победа термодинамики и производства энтропии. И вновь, в конечном итоге, торжествует беспорядок.
Бесконечная аннигиляция
Иллюстрацией к тому, как Вселенная продолжает действовать, хотя и замедляется, служит простой процесс аннигиляции частиц. В результате аннигиляции масса-энергия превращается в излучение и тем самым обеспечивает источник энергии для Вселенной. Аналогичным образом, в наши дни Солнце является источником энергии для Земли, а звезды — для Вселенной, хотя и в очень разных масштабах.
Вселенная будущего, например, содержит и электроны, и их антиматериальные двойники — позитроны. Когда эти частицы подходят друг к другу достаточно близко, происходит аннигиляция и вся их масса-энергия высвобождается во всплеске излучения. Во время этой вспышки образуется энтропия. В случае с позитронами и электронами, как описано выше, эти частицы перед окончательной аннигиляцией нередко образуют атомы позитрония. Однако если рассматривать этот процесс в масштабе времени, значительно превышающем время жизни позитрония, равное ста сорока пяти космологическим декадам, нет нужды переживать из-за этого мимолетного промежуточного этапа. Другие частицы, или пары частиц, тоже могут дожить до эпохи вечной тьмы и аннигилировать аналогичным образом. До этого времени вполне могут дожить и принять участие в будущей аннигиляции, например, слабо взаимодействующие частицы темной материи.
Закончится ли когда-нибудь во Вселенной запас частиц, которые могут аннигилировать? Ответ на этот вопрос объясняет многое и служит хорошей иллюстрацией к почти бесконечной природе этой космической конечной игры. Полная доля плотности энергии Вселенной, которая аннигилирует в эпоху вечной тьмы, есть малая и известная величина. Аннигиляция частиц дает лишь конечное количество энергии (в пределах данной области Вселенной) за все время эпохи вечной тьмы. Скорость аннигиляции заметно уменьшается по мере того, как Вселенная расширяется и становится более разреженной, однако аннигиляция частиц продолжается, пока существует Вселенная. Нет такого момента в будущем, когда Вселенная достигает состояния, в котором частицы перестают аннигилировать. Какой бы старой ни стала Вселенная, в ней всегда остается место сопровождающимся вспышками аннигиляционным событиям, которым еще только предстоит произойти и, пусть незначительно и ненадолго, осветить темное небо.
Таким образом, мы имеем несколько запутанную ситуацию: аннигиляция частиц продолжается вечно, но образует в данной области Вселенной постоянное количество энергии. Этот мнимый парадокс легко разрешается, если принять во внимание снижение скорости аннигиляции. За бесконечный промежуток времени Вселенная выдает постоянное количество энергии. Подобная практика сохранения лишь усиливает энергетический кризис будущего и точно определяет смысл следующего выражения: становясь старше, Вселенная «замедляется».
Итак, Вселенная сильно замедляется, но никогда не утрачивает всей своей энергии. Можно ли считать Вселенную, которой свойственна подобная бесконечность, обладающей вечной жизнью? Наверное, да, но это будет довольно оптимистичная точка зрения. Пол Дэвис, известный физик и писатель, назвал эту позднюю фазу эволюции Вселенной «вечной смертью». Эта вечно умирающая Вселенная продолжает развиваться и замедляться, но так и не достигает финального момента замыкания, подобного смерти.
Продолжающаяся аннигиляция частиц и другие связанные с ней процессы служат еще одним примером временного принципа Коперника, о котором мы рассказали во введении. Какой бы старой ни стала Вселенная, в ней продолжают происходить интересные физические процессы. На самом деле Вселенная в эпоху вечной тьмы вовсе не обязана быть таким уж темным и скучным местом. При наличии достаточного времени эволюцию могут вызвать значительные события воистину вселенского масштаба. Однако время — это единственный товар, которым богата умирающая Вселенная будущего.
Процессы туннелирования и будущие фазовые переходы
В начале этой главы описывается космологический фазовый переход — потенциальная космическая катастрофа грандиозных размеров. Принимая во внимание широту этого гипотетического, но все же возможного, будущего события, нам стоит исследовать этот процесс чуть более подробно. Вселенная, в принципе, может содержать значительное количество энергии вакуума. Другими словами, пустое, на первый взгляд, пространство на деле может оказаться не таким уж пустым. Вспомним, что энергетический вклад именно этого типа может привести к инфляционному расширению Вселенной, которое происходит через несколько мгновений после Большого взрыва в еще совсем юной Вселенной. Эта же энергия вакуума, хотя и с гораздо меньшей плотностью, может присутствовать и в современной Вселенной. Как только мы поймем, что состояние вакуума может обладать какой-то энергией, несложно представить, что этот вакуум может иметь и много разных состояний энергии, отличающихся друг от друга. Вселенная с многочисленными состояниями энергии вакуума может иметь чрезвычайно интересный долгосрочный эффект: в будущем этот вакуум может стать нестабильным и Вселенная может подвергнуться преобразованию и перейти в совершенно новое состояние — состояние с более низкой энергией вакуума.
К сожалению, нам до сих пор неизвестно, какой вклад вакуум вносит в общую плотность энергии Вселенной. На самом деле, «натуральное значение» плотности энергии вакуума, судя по всему, превышает разрешенное космологией во многие порядки раз. Другими словами, самые простые расчеты свидетельствуют о том, что плотность энергии вакуума должна быть примерно в 10 122 раз больше наблюдаемой общей плотности энергии Вселенной. Это невероятное расхождение обычно называют проблемой космологической постоянной, и в настоящее время принятого разрешения этой проблемы не существует. Энергия вакуума Вселенной может равняться как нулю, так и общей плотности энергии, соответствующей обычному барионному веществу, экзотической темной материи и всему чему угодно. И мы не знаем, как урезать этот диапазон возможностей. Успешное решение этой довольно затруднительной задачи, в конечном итоге, приведет к тому, что будет сделан важный шаг вперед в нашем понимании Вселенной: прошлой, настоящей и будущей.
Ради продолжения повествования рассмотрим возможность того, что Вселенная действительно обладает плотностью энергии вакуума и в настоящее время находится в состоянии «фальшивого» вакуума. Другими словами, сейчас Вселенная заключена в конфигурацию с «большой» энергией вакуума, но при этом существует и состояние вакуума с более низкой энергией. Согласно этому сценарию Вселенная может совершить переход в состояние с более низкой энергией посредством квантово-механического туннелирования. В процессе туннелирования Вселенная переживает фазовый переход, приблизительно аналогичный переходу, происходящему, когда жидкая вода превращается в твердый лед.
Процесс квантово-механического туннелирования требует наличия двух важных свойств. Во-первых, физическая система должна иметь более одного состояния энергии, чтобы появилась возможность перехода между этими состояниями. Кроме того, эта система должна обладать энергетическим барьером, осложняющим такие переходы из одного состояния в другое. Последнее особенно важно, так как все физические системы имеют тенденцию к поиску состояния с наименьшей энергией, часто называемого основным состоянием: вода, например, всегда течет с горы, а не в гору. В отсутствие такого энергетического барьера физические системы быстро переходят в состояние с наименьшей энергией, где и остаются навсегда. Интересный случай возникает, когда физическая система оказывается заключенной в состояние с более высокой энергией и, в принципе, в какой-то момент будущего может совершить переход в состояние с минимальной энергией. Этой физической системой может быть атом, ядро или конфигурация вакуума самой Вселенной.
Фундаментальную концепцию энергетического барьера можно продемонстрировать с помощью классической аналогии. Рассмотрим шарик, который катается во впадине между двумя возвышенностями, как показано на рис. 23. В отсутствие трения шарик катается взад-вперед по впадине, но никогда не переходит на другую сторону, потому что не имеет достаточно энергии, чтобы подняться по возвышенности, разделяющей две впадины. Таким образом, возвышенность служит энергетическим барьером, который препятствует переходу шарика из одной впадины в другую. Шарик заключен в левой впадине, даже несмотря на то, что правая глубже и соответствует состоянию системы, имеющему более низкую энергию.
Рис 23. На верхней панели представлена природа потенциальной энергии в классической системе. В такой системе мяч катается взад-вперед в левой впадине Правая впадина глубже и поэтому представляет состояние более низкой энергии, но мяч не обладает достаточной энергией, чтобы подняться по возвышенности и спуститься в следующую впадину. На нижнем рисунке представлена природа потенциальной энергии в квантовой системе и туннелирование электрона из левого потенциального колодца в правый. Эти потенциальные колодцы аналогичны впадинам, изображенным на верхнем рисунке. Электрон не обладает достаточной энергией, чтобы перейти через барьер, а следовательно, такое поведение, с точки зрения классической физики, запрещено. Однако в квантовой механике электрон может совершить такой переход
В классическом примере шарика с постоянной энергией и двух впадин переходы невозможны. Ни в коем случае. Шарику суждено оставаться в своей впадине вечно, если только он не подвергнется воздействию какого-то внешнего механизма. Однако в случае квантово-механической системы дела обстоят совершенно иначе. Из-за волнового аспекта, который реальность приобретает на малых расстояниях, природа никогда не бывает совершенно неподвижной. Физические системы непрерывно испытывают флуктуации, обусловленные принципом неопределенности, с которым мы уже встречались. И эти квантовые флуктуации разрешают, на первый взгляд, запрещенные события.
Если шарик на верхнем рисунке заменить, например, электроном, а возвышенности — какими-нибудь электрическими барьерами, то мы получаем совершенно аналогичную систему, хотя и в гораздо меньшем масштабе, в котором свою роль должны сыграть и квантово-механические эффекты. Из-за квантовых флуктуации всегда существует некоторая вероятность того, что электрон окажется в правой впадине, даже если он должен быть в левой. Вероятность того, что электрон окажется «не на той» стороне потенциального барьера, обычно достаточно мала, но не равна нулю. На практике эта неопределенность означает, что при наличии достаточного времени электрон совершит переход из левой впадины в состояние с более низкой энергией, которое предоставляет правая впадина. Завершив переход, электрон обычно отдает энергию и остается во впадине с более низкой энергией.
Когда электрон совершает этот переход из одной впадины в другую, он фактически проходит под энергетическим барьером, пройти над которым он не может, поскольку не обладает достаточной энергией. В этом смысле электрон туннелирует через барьер, и этот процесс называется квантово-механическим туннелированием. Это, на первый взгляд, загадочное поведение является прямым следствием проявления волновых свойств электрона. И хотя это квантовое поведение электронов может показаться странным, такое туннелирование электрона служит фундаментальной основой для создания транзисторов и прочих полупроводниковых приборов. В отсутствие квантово-механического туннелирования электронов обанкротились бы все предприятия, производящие полупроводниковые приборы.
К туннелированию способны любые волны: как классические, так и квантовые. Туннелированию могут подвергаться, например, спиральные волны плотности — волноподобные возмущения, образующие великолепные спиральные узоры, наблюдаемые в галактиках. А эти волны значительно больше нашей Солнечной системы: они действительно слишком велики, чтобы в их случае могли сыграть свою роль квантовые эффекты. Странность квантовой механики, в сущности, заключена в том, что частицы имеют свойства волны и демонстрируют поведение, характерное для волн. Любые волны совершенно естественным способом туннелируют через барьеры, создают дифракционные картины и подчиняются принципу неопределенности. Как только мы принимаем, что частицы и другие физические системы на достаточно малых расстояниях имеют волновые характеристики, многие алогичные квантовые эффекты становятся абсолютно понятными.
Как и электрон в нашем примере, вселенский вакуум может находиться в состоянии высокой энергии, при этом может существовать и состояние более низкой энергии вакуума. Как только Вселенная оказывается заключенной в состояние большой энергии вакуума, она должна оставаться в этом состоянии на протяжении продолжительного периода времени, потому что энергетический барьер препятствует ее немедленному переходу в состояние более низкой энергии. Такая долгоживущая конфигурация называется метастабильным состоянием, потому что на протяжении коротких периодов времени она фактически стабильна, но в конечном счете все же нестабильна и рано или поздно распадется. Переходы в состояние с более низкой энергией не только возможны, но и должны произойти при условии наличия достаточного времени.
Как, когда и где произойдет подобный фазовый переход? Нам хотелось бы знать, какова вероятность того, что Вселенная испытает переход из состояния фальшивого вакуума в состояние истинного вакуума, из состояния высокой энергии вакуума в конфигурацию с более низкой энергией. В качестве частной теоретической модели состояния вакуума мы можем вычислить скорость этого перехода достаточно простым способом. Однако полученный результат крайне чувствителен к входным параметрам, которые мы знаем не слишком хорошо. Чтобы сделать это предсказание точным, нам необходима полная теория состояния вакуума Вселенной. И хотя такое теоретическое понимание должно в конечном итоге стать следствием решения проблемы космологической постоянной, в настоящее время его у нас нет. Пока что мы можем лишь наложить ограничения на возможные варианты этого пугающего, но захватывающего будущего события.
Ясно, что время, предшествующее туннелированию, должно быть настолько долгим, чтобы Вселенная не распалась к настоящей эпохе. Мы можем быть в достаточной степени уверены, что в текущую эпоху образования ядер в видимой части Вселенной не происходило. Время, которое потребуется для этого фазового перехода, вполне может превышать возраст нашей Вселенной, равный десяти миллиардам лет. Однако в будущем Вселенная может пережить фазовый переход и протуннелировать в состояние вакуума с более низкой энергией почти в любое время: может, завтра, а может, и через десять тысяч космологических декад.
Что же в действительности случается, когда и если происходит это самое туннелирование? В данной точке пространства микроскопическая область самопроизвольно переходит в новое состояние вакуума с более низкой энергией. Когда начинается фазовый переход, в фоновом море фальшивого вакуума образуются и начинают разрастаться микроскопические пузырьки состояния истинного вакуума. Этот процесс во многом напоминает рост кристаллов льда в воде, охлажденной ниже точки замерзания. Кристаллы льда начинают расти в какой-то определенной, но обычно произвольной точке и только потом увеличиваются. Ледяная область расширяется по мере того, как наступающий фронт по ходу своего движения превращает жидкую воду в твердый лед. Пузырек нового состояния вакуума разрастается аналогичным образом и переводит фоновую Вселенную из старого состояния вакуума в новую фазу с новым состоянием вакуума.
Космологический фазовый переход происходит быстро, потому что стенки пузыря имеют чрезвычайно большое ускорение. При взгляде с больших расстояний кажется, что пузыри расширяются почти со скоростью света, практически сразу после своего образования. Когда расширяется внешняя стенка пузыря, она сметает области старой Вселенной и оставляет после себя области новой Вселенной. Пузыри растут до тех пор, пока не встретятся друг с другом, после чего они сталкиваются, завершая фазовый переход. Таким образом, старая Вселенная превращается в новую Вселенную с новым состоянием вакуума (см. рис. 24).
Рис. 24. Здесь изображен космологический фазовый переход в действии. В фоновом море старого состояния вакуума образовались пузырьки нового состояния вакуума (затемненные области). Эти пузырьки со временем растут, пока не встретятся друг с другом, завершая фазовый переход
Внутри пузыря, в области с новым состоянием вакуума, характер Вселенной изменяется практически полностью. По завершении фазового перехода изменяются физические законы Вселенной, в том числе и значения физических постоянных. В новом состоянии вакуума фундаментальные частицы имеют совсем другие массы, а константы взаимодействия, определяющие силы природы, — совсем другие значения. Вселенная в том виде, в каком знаем ее мы, просто прекращает свое существование.
Любые живые существа, захваченные фазовым переходом, погибли бы мгновенно. Они тут же утратили бы способность к выполнению своих обычных биологических функций или даже к простой химической активности. Из-за быстрого расширения пузырей, происходящего почти со скоростью света, любые наблюдатели, присутствующие при этом монументальном событии, не получили бы абсолютно никакого предупреждения о его приближении. Поскольку ни одно транспортное средство не способно передвигаться быстрее скорости света, никакие предварительные сигналы не смогли бы предупредить о грядущем разрушении. Короче говоря, увидеть приближение этого перехода невозможно.
С момента прибытия волнового фронта пузыря время, необходимое для перехода из старого состояния вакуума в новое, равно крошечной доле секунды: где-то от 10 -10 до 10 -30 секунды. Этот микроскопический промежуток времени значительно короче времени отклика нейрона в мозге человека. Таким образом, этот переход слишком внезапен, чтобы люди могли его ощутить. Согласно дайсоновской гипотезе соответствия масштабов у гипотетических форм жизни отдаленного будущего скорости мышления должны замедлиться из-за падения температуры. Будущие формы жизни, скорее всего, будут функционировать при более низких температурах, чем люди, поэтому время отклика у них должно быть еще длиннее. Любые существа, наблюдающие этот космический фазовый переход, буквально так и не узнали бы, что это за напасть.
Природа Вселенной и законы физики заметно отличаются до и после этого фазового перехода, или, что эквивалентно, снаружи и внутри растущих пузырей. Точная природа новой Вселенной находится в критической зависимости от нового состояния вакуума. В частности, различен вклад космологической постоянной до и после фазового перехода. Новый вид принимает и теория гравитации.
Наиболее оптимистичный сценарий имеет место, если космологическая постоянная в настоящее время положительна и Вселенная туннелирует в новое состояние, где энергия вакуума равна точно нулю. В этом счастливом случае новая Вселенная с новыми физическими законами имеет шанс развить новые зачатки сложности и, быть может, даже жизни. Перед такой возрожденной Вселенной раскрываются многочисленные и разнообразные, практически ничем не ограниченные, возможности.
С другой стороны, если космологическая постоянная сегодняшней Вселенной уже равна почти точно нулю, а новое состояние вакуума Вселенной имеет отрицательное значение, то происходит куда более серьезный апокалипсис. В этом зловещем случае пространство-время новой фазы — области внутри растущих пузырей — является гравитационно-неустойчивым. Внутренняя область каждого пузыря переживает воистину катастрофический гравитационный коллапс. Плотность и температура внутреннего вещества безгранично возрастают. Таким образом, пузырь переживает миниатюрную версию Большого сжатия — сценария гибели Вселенной, описанного в следующей главе. Пузыри сжимаются, погибая в пламени, всего за несколько микросекунд или и того меньше — слишком короткий промежуток времени для возникновения биологической эволюции или хотя бы более скромных зачатков сложности. Так что такой вариант фазового перехода интересен с пиротехнической точки зрения, но практически полностью лишает надежды на будущую жизнь.
Процесс квантово-механического туннелирования, обеспечивающий фазовый переход, при наличии достаточного времени произойдет самопроизвольно. Особое беспокойство вызывает один аспект этой потенциальной катастрофы: фазовый переход, а в принципе так и будет, может быть спровоцирован. Если строение вакуума имеет необходимую форму, то, при наличии нужной технологии, фазовый переход могут запустить живые существа: люди или кто-либо еще. В таком сознательно направленном случае фазовый переход начинается в четко определенной точке пространства и распространяется вперед, вновь приближаясь к скорости света. Фронт одной-единственной движущейся волны смел бы всю старую Вселенную, оставляя позади себя смерть, разрушение и только что родившееся новое состояние вакуума. Однажды начав движение, наступающий фронт продолжил бы двигаться по пути полной аннигиляции, и ничто не смогло бы остановить его. Подобное событие можно было бы сравнить с террористическим актом вселенского масштаба.
И все же существует еще один промежуточный вариант, вызывающий не меньшую тревогу. Фазовый переход в новое состояние вакуума может быть запущен случайно: живыми существами или природными условиями. Высокоскоростные столкновения космических лучей с чрезвычайно большими энергиями могут высечь ту самую искру, что подожжет запал фазового перехода: Можно представить и другие природные бедствия такого рода.
Будущий фазовый переход, который посредством квантового туннелирования охватит всю Вселенную, — один из наиболее умозрительных вопросов, рассмотренных в этой книге. И все же его присутствие здесь вполне уместно, потому что акт туннелирования из состояния фальшивого вакуума в состояние истинного вакуума изменяет природу Вселенной гораздо сильнее, чем практически любой другой физический процесс. Вселенная вполне могла бы оказаться на грани катастрофической неустойчивости.
Эта идея о космологическом фазовом переходе на самом деле не так уже необычна и неестественна, как это может показаться на первый взгляд. В самые первые мгновения истории космоса, сразу после Большого взрыва, Вселенная прошла через целый ряд фазовых переходов со смутно похожими характеристиками. Первый из этих фазовых переходов привел к невероятно быстрому расширению эпохи инфляции. Другой фазовый переход нарушил симметрию Вселенной и разбил силу электрослабого взаимодействия на две составляющие, которые мы называем электромагнитной силой и слабым ядерным взаимодействием. Еще один фазовый переход изменил юную Вселенную, когда свободные кварки объединились в составные частицы, называемые адронами (к ним относятся хорошо знакомые нам сегодня протоны и нейтроны). Вся эта деятельность, возымевшая столь значительное влияние на характер нашей Вселенной, произошла, когда космосу не исполнилось еще и секунды. Располагая почти безграничным временем, будущая Вселенная имеет множество возможностей пережить еще один потрясающий фазовый переход.
Создание новых вселенных
В будущей Вселенной есть место и для еще более странного поведения. Такая Вселенная способна даже на то, чтобы посредством квантового туннелирования, приблизительно напоминающего вышеописанное, спонтанно рождать новые «вселенные». В этом случае в пустом пространстве, в состоянии истинного вакуума с низкой энергией, образуется пузырь с фальшивым вакуумом более высокой энергии. Этот процесс ядрообразования, в сущности, противоположен тому, который мы описывали ранее. Если выделившийся пузырь достаточно велик, он будет расширяться с невероятно большой скоростью, как в эпоху инфляции, которая имела место в самом начале истории нашей Вселенной. Когда пузырь расширяется, он, в конечном итоге, становится причинно несвязанным с исходным пространством-временем нашей Вселенной. В этом смысле вновь созданный пузырь становится новой и отдельной Вселенной, которую можно считать «вселенной-ребенком».
Это создание новой вселенной довольно алогично. Каким образом из ничего образуется целая вселенная? Куда или во что она расширяется? Основная идея состоит в том, что недавно созданный пузырь нового пространства-времени никуда не расширяется; вернее говорить о том, что расширяется само пространство-время. Таким образом, новая вселенная создает свое собственное пространство, а не «пользуется» какой-то частью нашей Вселенной.
Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, можно использовать диаграмму вложения — способ визуализации, который физики часто используют при изучении общей теории относительности (что уже обсуждалось в предыдущей главе). Мы представляем двумерный вариант Вселенной в виде листа резины, который при расширении Вселенной растягивается. Отклонение резинового листа от абсолютной плоской геометрии представляет собой кривизну пространства-времени, или, что аналогично, степень отклонения пространства-времени от евклидова или плоского. Таким образом, эта двумерная Вселенная вложена в трехмерное пространство, которое нам понятно. Реальная Вселенная имеет трехмерное пространство с дополнительным временным измерением: поскольку так много измерений нам представить не под силу, мы в качестве модели используем эту простую двумерную Вселенную.
С помощью этого метода мы можем визуально представить рождение новой «вселенной-ребенка» как образование в листе резины лунки или пузыря, что изображено на рис. 25. При расширении вновь созданная вселенная быстро превращается в огромную сферу, которую со старой плоской Вселенной связывает только узкая трубка. Это в высшей степени искривленное соединение со старой Вселенной является примером релятивистского пространственно-временного туннеля — особой разновидности моста, связующего различные части пространства-времени. В данном случае пространственно-временной туннель беспрепятственно соединяет вновь образованную вселенную с плоским пространством-временем материнской Вселенной. Однако при расширении новой вселенной этот туннель сжимается и в конечном итоге вообще испаряется. После исчезновения пространственно-временного туннеля материнская Вселенная полностью утрачивает причинную связь с новой вселенной, которая только тогда становится действительно самостоятельной вселенной.
Рис. 25. На этой диаграмме вложения изображено зарождение и последующее развитие новой вселенной. На верхнем рисунке показано образование зародыша, а следовательно, и начало образования новой вселенной. На среднем рисунке вновь созданная вселенная быстро растет, но все еще связана со старой вселенной (плоская область) посредством узкой трубки, представляющей релятивистский пространственно-временной туннель. На нижнем рисунке пространственно-временной туннель испарился, и новая вселенная отделилась от исходного пространства-времени материнской Вселенной, в которой она родилась
Эта недавно созданная вселенная воспринимается совершенно по-разному наблюдателями, живущими внутри пузыря, и теми, кто находится снаружи. Наблюдатели, живущие внутри пузыря, видят свою местную вселенную в состоянии экспоненциального расширения, весьма напоминающего фазу инфляции нашей собственной Вселенной в самые первые мгновения ее существования. С другой стороны, наблюдатели, расположенные вне пузыря, оставшиеся в пустом пространстве-времени нашей настоящей Вселенной, видят вновь созданную вселенную как коллапсирующую черную дыру, которая быстро утрачивает причинную связь с нашей Вселенной. В силу отсутствия этой причинной связи новые вселенные не могут повлиять на будущую эволюцию нашей Вселенной.
И все же эти новые вселенные могут получать информацию из нашей Вселенной, по крайней мере в принципе. До того как вновь созданная вселенная утратит причинную связь с нашим собственным пространством-временем, две вселенные связывает релятивистский пространственно-временной туннель, который может служить каналом для передачи информации и, быть может, даже для передачи вещества. Такая возможность имеет глубочайшие следствия. Столкнувшись с тем, что в нашей настоящей Вселенной гибели и вымирания не избежать, достаточно развитая цивилизация могла бы в качестве пути для спасения создать другую вселенную. Если бы существовала возможность предопределения свойств и физических законов новой вселенной, эта цивилизация могла бы добиться того, чтобы зарождающийся космос благоприятствовал развитию жизни. Информацию из нашей старой умирающей Вселенной можно было бы передать в новую вселенную через связывающий их пространственно-временной канал до его испарения. Эта информация могла бы включать копии жизни или каких-то еще ценностей, которые сочло бы важными данное общество. Быть может, через этот пространственно-временной туннель получилось бы передать даже вещество. Возможно, достаточно умные существа могли бы создать вселенную и буквально запрыгнуть в нее, пока не закрылся вход.
Данная концепция образования новых вселенных связана с обсуждавшейся в четвертой главе идеей о том, что сингулярности черных дыр служат входом в другие вселенные. В предыдущем случае мы подразумевали долгоживущие большие черные дыры. Сингулярность, которая должна содержаться где-то в пределах горизонта событий черной дыры, служит долгосрочным соединением с другой вселенной, хотя соединение это, в сущности, недоступно. Однако, чтобы произошло образование зародыша, которое приведет к рождению новой вселенной, коллапсирующая черная дыра (видимая наблюдателями в нашей Вселенной) должна иметь достаточно малую массу и относительно короткое время жизни. При рассмотрении снаружи кажется, что эта крошечная черная дыра излучает саму себя и в конечном счете исчезает в процессе испарения Хокинга. В этом случае вход в новую вселенную не только абсолютно недоступен, но и крайне недолговечен.
Образование зародыша новой вселенной может произойти и в сингулярности уже существующей черной дыры. Как и в других случаях, рассмотренных выше, вновь созданная вселенная быстро утрачивает причинную связь с материнской. Поскольку все это происходит в пределах горизонта событий исходной черной дыры, может создаться впечатление, что новая вселенная вообще никак не связана с нашей Вселенной и вряд ли нам интересна. Но, как ни странно, образование новой вселенной все же имеет один характеристический признак, который можно измерить в нашей Вселенной, за пределами горизонта событий черной дыры. Образование зародыша новой вселенной частично подавляет излучение Хокинга, испускаемое черной дырой. Это падение мощности излучения черной дыры можно измерить. Как только новая вселенная утрачивает причинную связь с черной дырой, восстанавливается обычный уровень испарения Хокинга. И вновь: квантовые эффекты позволяют передать через горизонт событий информацию определенного типа, даже несмотря на то, что в классической физике подобная нелегальная передача строго запрещена.
Аналогично тому как фазовые переходы космоса, в принципе, могут быть запущены какими-нибудь внешними воздействиями, образование новой вселенной тоже может быть вызвано извне. Технология, необходимая для подобного запланированного родительства, в настоящее время отсутствует, но физики уже всерьез обсуждают теоретическую возможность создания новой вселенной в лабораторных условиях. В будущем создание новых вселенных, возможно, станет делом обычным и ничем не примечательным. Но как только мы принимаем такую возможность, в голове сразу возникает важный философский вопрос: «А наша Вселенная тоже является результатом спланированного и направленного действия каких-то других существ?».
Концепции намеренного запуска космологического фазового перехода или создания новой вселенной в лабораторных условиях — хорошие примеры того, как мы, или другие сознающие существа, могут оказать прямое влияние на эволюцию Вселенной в целом. Эти трюки, связанные с космической инженерией, все еще лежат далеко за пределами возможностей нашей современной технологии, и все же нельзя сказать, что они вообще выходят за рамки возможного. За последние несколько сотен лет люди на Земле сумели, к счастью или к несчастью, в какой-то степени взять под контроль всю планету. В настоящее время мы можем напрямую влиять на окружающую среду, популяции и виды представителей растительного и животного мира и даже на климат мира, в котором живем. Всего несколько столетий назад о подобном контроле люди и помыслить не могли, а ведь этот промежуток времени — просто мгновение по сравнению с громадными зонами, которым еще предстоит прийти. В будущем разумная жизнь не только возможно, но, может быть, даже вероятно сыграет важную роль в установлении долгосрочного курса эволюции как нашей собственной, так и других вселенных.
Источник