Куда катится наша Вселенная
Как выяснила наука, ничто в мире не вечно. Нашу Вселенную ждет длительный процесс расширения, а потом, рано или поздно, распад… Еще до того как она провалится в тартарары, многие привычные для нас сегодня вещи перестанут существовать в результате нарастающей энтропии. Интересно, как же будет выглядеть Вселенная через сотни миллиардов лет?
Звезды исчезнут
По крайней мере, большинство их не будет видно с Земли, если последняя к тому времени останется на месте. Поскольку ткань пространства-времени расширяется быстрее скорости света, то через 150 миллиардов лет большинство видимых для нас объектов окажется за пределами так называемого «космологического горизонта». В конце концов в пределах нашей видимости останутся лишь объекты Солнечной системы. И мы ничего не будем знать о других звездах, планетах и галактиках.
Солнце превратится в черного карлика
Самый распространенный тип звезд во Вселенной на сегодняшний день — красные карлики. Это холодные светила, испускающие красное свечение. Довольно много во Вселенной и так называемых белых карликов — останков умерших звезд, состоящих из «отработанного» вещества, которое не распадается только благодаря квантовым эффектам. Хотя белые карлики живут очень и очень долго, рано или поздно и они трансформируются и станут черными карликами.
Это случится и с нашим Солнцем. Сначала оно сбросит все внешние слои и превратится в белого карлика. В таком состоянии оно будет оставаться в течение миллиардов лет. Однако постепенно оно все равно начнет остывать. Когда Солнце остынет до температуры, соответствующей микроволновому фоновому излучению, то есть до нескольких градусов выше абсолютного нуля, его ждет превращение в черного карлика. Так как «представители» этого звездного типа очень холодны, их излучение практически не видно в оптическом диапазоне. Обнаружить его можно лишь благодаря гравитационным эффектам. Правда справедливости ради надо сказать, что такая судьба постигнет и многие другие светила, которые мы сегодня наблюдаем на небосклоне.
Появятся новые типы звезд
К концу Вселенной звездная эволюция завершится и новые светила рождаться не будут. Вселенная будет наполнена звездными останками, что приведет к появлению нового типа звезд, который ныне неизвестен. Например, морозные или холодные звезды. Когда звезда выжигает свое ядерное топливо, возрастает ее металличность. Так как металлы в процессе синтеза излучают меньше энергии, чем более легкие элементы, в конце концов звезды остынут до точки замерзания воды.
Квантовые эффекты позволят легким элементам синтезироваться в нестабильную форму железа, которая, в свою очередь, будет распадаться на более стабильные изотопы, излучая при этом слабое количество энергии. Таким образом появится еще один тип — железные звезды. Впрочем не все астрономы верят в такую перспективу. По мнению некоторых экспертов, это может произойти только при условии распада протона.
Вселенная будет состоять из черных дыр
Если протон все-таки распадется на нуклоны, которые, в свою очередь, тоже окажутся подвержены распаду, то сами атомы перестанут существовать и начнется эпоха черных дыр. Подпитывать их будут лептонные субатомные частицы — электроны и позитроны. Черные дыры станут поглощать остатки вещества Вселенной и при этом сами излучать фотоны и гравитоны. Однако, по словам знаменитого британского астрофизика Стивена Хокинга, придет день, и черные дыры тоже умрут, ведь они тоже способны терять свою массу и энергию… В конце концов эти объекты превратятся в разрозненные частицы, слабо связанные между собой.
«Макрофизика» перестанет существовать
После того как Вселенная станет практически однородной, прежние физические принципы перестанут в ней действовать. Останется только квантовая механика. Но в результате квантовых процессов вся энергия будет переработана, а температура Вселенной упадет до абсолютного нуля. Пространство и время исчезнут. По сути дела, Вселенной в том виде, какой мы ее знаем, придет конец.
Впрочем спасти ее может эффект квантового туннелирования — это когда субатомные частицы входят в энергетическое состояние, невозможное с точки зрения классической механики. Физики Шон Кэрролл и Дженнифер Чен считают, что это может уменьшить энтропию, что приведет к новому Большому взрыву.
Обнадеживают нас и математики. Еще в 1890 году Анри Пуанкаре опубликовал рекуррентную теорему, из которой следует, что любая система спустя энный период времени всегда возвращается в состояние, близкое к изначальному. Так, с точки зрения термодинамики случайно возникшие в условиях высокой энтропии тепловые флуктуации могут вернуть Вселенную в исходную точку.
Через какое-то время во Вселенной заново начнутся процессы формирования. Но понятно, что это будет уже другая Вселенная, и разумные цивилизации, которые в ней появятся, не сохранят никакой памяти о своих предшественниках…
Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен
Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.
Источник
Как из нулевой энергии Ничто могла произойти Вселенная? Хроника великого перехода
Поделиться:
Голый факт существования мира в противоположность несуществованию Ничто в постхристианской картине мира был бы менее загадочен, если бы этот мир, по сравнению с другими возможными реальностями, чем-то выделялся на их фоне. Например, космос существует, потому что удовлетворяет абстрактную потребность в добре, простоте или красоте. С точки зрения такого платоновского представления, и человек должен быть здесь, потому что его существование добавляет немного добра (или красоты, или элегантности) в сумму космических возможностей. Любая такая особенность, выделяющая именно этот мир в качестве существующего, придала бы человеческой жизни смысл как необходимому элементу этого мира. У жизни была бы высшая космическая цель: быть как можно лучше этически, или как можно более поэтичным, или как можно более элегантным (вспомним книгу Брайна Грина «Элегантная Вселенная») или что-то еще.
Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой замороженную энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запасенной в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется в Большом сжатии) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга – это показывают математические расчеты. Другими словами, полная энергия такой Вселенной равна нулю. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность. Да, это трудно понять классическому разуму.
Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. Но весь точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную — и противоречивую, в духе Георга Гегеля — возможность. Допустим, полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как диктует принцип Вернера Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно.
Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна: быть равной нулю она никак не может. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой и инфляционной квантовой космологией – точнее, в квантовом мире пустота неустойчива, или же ее попросту не существует.
Если мы не можем вообразить абсолютную пустоту (за исключением разве что сна без сновидений), означает ли это, что всегда должно обязательно существовать Что-то? Необходимо остерегаться склонности принимать недостаток воображения за проникновение в истинную сущность бытия. Во Вселенной не только возможно, но и действительно существует многое из того, что лежит за пределами возможностей нашего воображения. Например, мы не можем представить себе объект, не имеющий цвета, однако фотоны, электроны и атомы бесцветны (они даже не серые). Большинство из нас не могут вообразить искривленным само пространство (объекты могут). Тем не менее теория относительности Эйнштейна утверждает, что мы на самом деле живем в искривленном четырехмерном пространстве-времени, которое нарушает законы евклидовой геометрии.
Не все философы разделяют убеждение, что пустое пространство есть Нечто. Среди них существуют по крайней мере два альтернативных взгляда на его природу. Субстантивный взгляд относится к Ньютону и считает пространство чем-то реальным, что имеет присущую ему геометрию и будет продолжать существовать, даже если все его содержимое исчезнет. Противоположный реляционистский взгляд восходит к сопернику Ньютона Лейбницу и полагает, что пространство не существует само по себе, а есть лишь сплетение взаимосвязей между объектами. С точки зрения Лейбница, пространство неспособно существовать без связываемых им объектов, как не может существовать улыбка Чеширского кота без самого кота.
Если пространство есть настоящая космическая сцена, существующая сама по себе, тогда она сможет пережить и исчезновение ее материального содержимого, даже если все исчезнет. Однако если пространство объективно существует, то должна существовать его геометрическая форма. Она может быть безграничной протяженности, но может быть и ограниченна, при этом не имея границы. Как, например, поверхность футбольного мяча является конечным двухмерным пространством, при этом не имеющим границы. Подобное «замкнутое пространство-время» не противоречит теории относительности Эйнштейна. В самом деле, Стивен Хокинг и другие ученые полагают, что пространство-время Вселенной является конечным и неограниченным, подобно поверхности футбольного мяча, только с большим числом измерений. Тогда несложно мысленно уничтожить пространство-время вместе со всем его содержимым. Просто представьте себе, что мяч сдувается или, скорее, уменьшается в размерах. Перед вашим мысленным взором конечный радиус мяча-вселенной становится все меньше, пока не достигает нуля. Теперь арена пространства-времени исчезла, оставив только абсолютное Ничто, или не оставив ничего.
Если пространство-время представляет собой не реальную сущность, а лишь набор взаимосвязей между объектами, то оно исчезнет вместе с этими объектами и поэтому не является препятствием для существования Ничто. Если же пространство-время есть нечто реальное, имеющее свою собственную структуру и сущность, то его можно «мысленно уничтожить», подобно всей остальной Вселенной.
В физике «Нечто» определяется количеством энергии. Даже материя, как показывает самое знаменитое уравнение Эйнштейна, является лишь застывшей энергией. С точки зрения физики, пространство максимально пусто тогда, когда оно лишено энергии. Допустим, что мы попытались удалить всю энергию из некой области пространства. Другими словами, мы попытались перевести эту область в состояние с минимальной энергией, известное как «вакуумное состояние». В какой-то момент в процессе откачки энергии произойдет событие, противоречащее здравому смыслу: спонтанно возникнет нечто, называемое «поле Хиггса». И от поля Хиггса избавиться нельзя, потому что его вклад в полную энергию той области пространства, которую мы стараемся опустошить, на самом деле отрицателен: поле Хиггса – это Нечто, содержащее меньше энергии, чем Ничто. Существование поля Хиггса сопровождается игрой «виртуальных частиц», которые непрестанно возникают и исчезают. Пространство в вакуумном состоянии оказывается весьма оживленным местом.
Тогда как насчет прямого перехода от мира Нечто к пустоте? Физически это тоже невозможно, потому что, например, уничтожение пары электрон – позитрон нарушает другой фундаментальный закон физики – закон сохранения энергии. Вместо уничтоженной пары по законам физики неизбежно должно будет появиться что-то еще – фотон или другая пара частица – античастица.
Как мы видим, не так-то просто перейти от Нечто к Ничто. Приближение всегда немного не достигает предела, всегда оставляя что-то из сущего, каким бы крохотным оно ни было. Впрочем, что же здесь удивительного? Чтобы успешно перейти от Нечто к Ничто, нужно разгадать загадку бытия в обратную сторону: любой логический переход из одного в другое должен быть двунаправленным. Если нам кажется, что легче вообразить переход от Нечто к Ничто, чем наоборот, то это потому, что начальная и конечная точки заранее известны. Переход от Ничто к Нечто выглядит более таинственным, потому что никогда не знаешь, что получится в результате – что остается верным на космическом уровне.
Большой взрыв – физический переход от Ничто к Нечто – происходит не только невообразимо быстро, но и без каких-либо присущих ему внутренних законов. Как говорит современная физика, в принципе невозможно достоверно предсказать, что может получиться из голой сингулярности. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной — только как она развивалась позже. Все начинается с сингулярности — точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение (в соответствии с инфляционной моделью) продолжается до сих пор. Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь в одну точку. В конце концов, в самом начале космической истории, весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в «сингулярность». Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.
Как именно, можно понять, если учесть, что через долю секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (среди них и Стивен Хокинг) стали применять квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, ко всей Вселенной в целом. То, что квантовая теория (а за ней и квантовая космология) разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из Ничто? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.
Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, предшествовавшая Большому взрыву – это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной неопределенностью, квантовой размытостью, которую проще всего показать на примере облачков электронов, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.
В этой точке действуют законы квантовой механики: частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из ничего.
Если Вселенная, по законам инфляционной космологии, может иметь бесконечное множество предысторий, но развивалась именно так, что в результате появились мы, не предполагает ли это цели, направленности, высшего Замысла? Сильный антропный принцип настаивает на неизбежном развитии Вселенной до появлению человека. Слабый останавливается на том, что вполне может существовать бесконечное множество предысторий нашей Вселенной (а также других Вселенных), но мы живем в той, которая допускает существование человека.
Является ли пустота одной из возможных реальностей, в которую бы мог воплотиться мир? И что насчет Абсолютной пустоты, полного отсутствия всего? Некоторые философы утверждают, что пустота невозможно, поскольку эта идея сама себе противоречит. Если они правы, то загадка бытия («Почему существует «Нечто, а не Ничто?») имеет легкое и довольно понятное решение: Нечто существует, раз оно уже существует, и существует потому, что Ничто существовать не может.
Я тоже разделяю изумление фактом существования мира и своего собственного существования – да и тем, что Вселенная как-то произвела те самые мысли о Ничто. Тем самым изумление, которое я испытываю от невероятности своего существования, имеет любопытную противоположность: мне трудно вообразить полное отсутствие моего «я». Почему же так трудно представить мир, в котором меня нет, в котором я никогда не появился на свет?
Источник