Нераскрытые тайны природы

Глава 21. Что ожидает Вселенную?

Наше Солнце существует около 4,6 миллиарда лет, что соответствует примерно половине возраста звезд данного типа. Оно похоже на миллионы звезд, рождающихся, развивающихся и умирающих во Вселенной. Астрономы хорошо изучили процессы, протекающие в родившихся ранее звездах, и достаточно детально представляют себе заключительную фазу жизни нашего Солнца. На протяжении первых четырех миллиардов лет в Солнце выгорает водородное горючее. По мере его выгорания звезда сжимается в размерах, но на определенном этапе обретает «второе дыхание» — в ней начинаются процессы термоядерного синтеза, при которых из трех ядер гелия образуются ядра углерода-12. Благодаря этому горючему Солнце может прожить еще два миллиарда лет. Однако при этом Земля неизбежно погибнет, поскольку из-за реакций синтеза размеры Солнца увеличатся примерно в сто раз, и оно, буквально испепелив нашу планету, превратится в так называемый красный гигант. Затем по мере выгорания гелия и его превращения в углерод Солнце снова начнет уменьшаться в размерах и обратится в тусклый белый карлик. Спустя еще несколько миллионов лет этот белый карлик постепенно остынет и трансформируется в мертвую звезду, называемую черным карликом.

В этом сценарии имеется проблема, которую можно было бы назвать «Делом о пропаже солнечных нейтрино». Еще в 1920-е годы, изучая спектр электронов при радиоактивном распаде, физики обнаружили нарушение энергетического баланса. Для спасения закона сохранения энергии Вольфганг Паули в 1931 г. предположил, что в распаде участвуют некие «призрачные» элементарные частицы, уносящие часть энергии. Эти похитители энергии не обладают электрическим зарядом. Их назвали нейтрино, но прошло два десятилетия, прежде чем существование нейтрино было доказано экспериментально. Оказалось, что существует три типа нейтрино, различающихся квантовым числом, условно названным «аромат».

При синтезе водорода, происходящем в Солнце, образуется огромное количество нейтрино. Как и полагается частицам-призракам, они с трудом поддаются регистрации. Можно с уверенностью утверждать, что Солнце испускает в космос мощный поток нейтрино, который практически беспрепятственно пронизывает не только Землю, но и остальные планеты. Упомянутая выше проблема недостачи солнечных нейтрино заключается в том, что, хотя у физиков и нет единого мнения, эксперименты демонстрируют «недостачу» весьма значительной части этого излучения: от половины до одной трети. Возможно, что эти потери энергии происходят в пространстве между Солнцем и Землей. Эта проблема беспокоит физиков уже более 30 лет. Имеется много убедительных доказательств того, что энерговыделение на Солнце обеспечивается ядерным синтезом. Поэтому проблема «недостающих» нейтрино, скорее, связана не с принципиальной перестройкой теории солнечной активности, а с задачей, которая будет решена путем совершенствования методики эксперимента. Впрочем, среди физиков есть и противники общепринятой теории эволюции мира, полагающие, что Солнце гораздо моложе и что его энергия обеспечивается не синтезом, а другими процессами. Уменьшение возраста Солнца автоматически влечет за собой значительное уменьшение возраста Земли, что позволяет опровергать теорию эволюции. Однако этой точки зрения придерживаются очень немногие ученые. Подавляющее большинство специалистов уверено, что возраст Солнца составляет 4,6 миллиарда лет и соответствует примерно половине его жизненного цикла, несмотря на дефицит нейтрино.

Еще до того, как погаснет Солнце, наша Галактика, Млечный Путь, должна поглотить карликовую галактику — Большое Магелланово Облако и столкнуться с галактикой Андромеды. Большое Магелланово Облако расположено от нас на расстоянии всего 150 000 световых лет, и поэтому гравитационные силы медленно, но неуклонно притягивают его к Млечному Пути. Через три миллиона лет произойдет столкновение галактик, в результате чего число звезд Млечного Пути увеличится примерно на миллион. Это может оказаться весьма важным примерно через 700 миллионов лет, когда Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеды. В безбрежных просторах космоса такие космические катастрофы происходят почти постоянно, что, кстати, не приводит к каким-либо серьезным последствиям. Конечно, несколько звезд могут слиться друг с другом, что будет гибельно для обитателей их планетных систем, однако драматические события в космосе происходят нечасто и представляют собой лишь редкие исключения.

Наиболее серьезные споры ведутся относительно того, расширяется или сжимается наша Вселенная. Проблема возникла сравнительно недавно, после публикации в 1925 г. знаменитой статьи Эдвина Хаббла об «островных вселенных». До этого астрономы были убеждены, что существует лишь одна, наша собственная Вселенная — Млечный Путь, и даже Эйнштейн, разрабатывая общую теорию относительности, исходил из существования во вселенной только одной галактики, причем статической. Из уравнений Эйнштейна следовало, что эта моногалактическая вселенная должна непрерывно расширяться. Эйнштейн ввел в теорию специальную космологическую константу, предотвращающую эффект расширения. Однако когда после работ Хаббла выяснилось, что Вселенная содержит множество галактик, которые удаляются друг от друга, причем размеры Вселенной расширяются, Эйнштейн удалил космологическую константу из своих уравнений и заявил, что полученные ранее результаты казались ему неубедительными.

Однако вскоре появились новые проблемы. Некоторые космологи считали, что наблюдаемое разбегание галактик должно постепенно замедлиться и смениться коллапсом. К началу 1980-х годов общепризнанной стала теория Большого Взрыва, в соответствии с которой расширение Вселенной, обусловленное энергией исходного Большого Взрыва, постепенно должно замедлиться и смениться обратным процессом, при котором звезды и галактики начнут сливаться. Этот чудовищный катаклизм иногда называют Большим Сжатием. В этот момент все вещество и вся энергия Вселенной будут сконцентрированы в ничтожном объеме, образуя сверхгорячую и сверхплотную смесь, готовую взорваться в виде очередного Большого Взрыва. Убежденным сторонником этой теории и был Джон Уилер, который полагал, что этот процесс циклически повторяется, причем каждый новый Большой Взрыв порождает Вселенную с совершенно новым набором физических законов! Дело в том, что даже ничтожное смещение энергии отдельного электрона на квантовом уровне может привести к полному изменению картины мира (см. гл. 19).

Математически безупречная модель бесконечно повторяющихся циклов рождения и гибели Вселенной имеет для космологии очень важное философское значение. Миф о птице Феникс, возрождающейся из собственного пепла, глубоко проник в человеческое сознание и многие религиозные учения.

^{Фотография галактики Колесо, полученная на космическом телескопе «Хаббл». Она расположена в созвездии Скульптора на расстоянии около 500 миллионов световых лет от Солнца и превышает по размерам Млечный Путь, а необычная форма объясняется тем, что она возникла в результате столкновения двух галактик. Яркие пятна в правой части фотографии соответствуют небольшим галактикам, однако не ясно, какая из них участвует в столкновении. В конечном счете галактика Колесо должна приобрести характерную для таких объектов спиральную форму (на фотографии можно различить слабые контуры образующихся «спиц»). (Предоставлено NASA.)}

Этот факт обеспечивал значительное психологическое превосходство идей Уилера при обсуждении проблем судьбы Вселенной. Идея возрождения всегда кажется привлекательной, даже если речь идет о космических объектах.

Существует и другая точка зрения, что цикличность развития Вселенной является лишь красивой выдумкой. Вселенная расширяется, и, возможно, расширение будет продолжаться вечно. При этом расширение Вселенной происходит в абсолютную пустоту. Подобная мысль, естественно, кажется странной обычному человеку, но она не кажется противоестественной космологам. По мере разбегания галактик столкновения между ними и процессы рождения новых галактик становятся всё более редкими. Всё более протяженные пространства холодного вакуума разделяют их, а звезды внутри галактик постепенно выгорают подобно нашему Солнцу. И сейчас существуют звезды, более чем в 1,4 раза превосходящие по размерам Солнце, значительно более яркие и обреченные существовать гораздо дольше, но и они когда-нибудь окончательно остынут.

В далеком будущем, примерно через 1000 миллиардов лет (в гл. 18 говорилось, что возраст нашей Вселенной составляет от 8 до 15 миллиардов лет, в зависимости от методики расчета), в темной Вселенной останутся только угасшие звезды и черные дыры. Однако эти холодные объекты взорвутся еще раз под действием чудовищных гравитационных сил собственного сжатия, и через миллиарды миллиардов лет после Большого Взрыва космос вновь осветится фантастическим фейерверком примерно на миллиарды лет, т. е. на время, составляющее примерно четверть возраста Земли, после чего испарятся последние черные дыры, и Вселенная останется темной и холодной невообразимо долгое время. Как считает Трин Хуан Туан: «Величина этого периода столь велика, что число нулей в нем превышает число атомов водорода во всех наблюдаемых нами галактиках». От Вселенной останутся лишь излучение и «мерцающие в вечности» постоянно исчезающие и возникающие виртуальные частицы.

В 2000 г. были получены свидетельства того, что расширение Вселенной происходит со значительно большей скоростью, чем это предполагалось, вследствие чего временная шкала всех событий, возможно, оказывается намного более короткой. Как уже отмечалось выше, предметом споров выступает не столько возраст Вселенной, сколько методы его расчета. Квантовая физика только начинает решать загадки, связанные с поведением субатомных частиц. Например, электрон одновременно присутствует в разных местах, и разделенные пространством электроны могут сообщать друг другу о том, что один из них попал в поле зрения экспериментатора.

За прошедшее столетие человечество обрело больше знаний о Вселенной и о самых разнообразных ее объектах (от генов до галактик), чем за всю предыдущую историю. Это, конечно, дает повод для гордости, однако не следует забывать, что осталось много важных проблем и вопросов, на которые мы пока не имеем вразумительного ответа. Ниже перечислены некоторые из них.

• Большой Взрыв остается лишь теоретической моделью, которую почти невозможно проверить экспериментально.

• Мы имеем весьма смутное представление о том, каким образом на Земле зародилась жизнь.

• Возможно, мы уже понимаем, почему вымерли, по крайней мере, динозавры, однако мы очень плохо представляем себе, каким образом вообще происходит вымирание биологических видов.

Мы представляем себе внутреннее устройство нашей планеты, но не умеем предсказывать землетрясения. Мы знаем некоторые закономерности наступления ледниковых периодов, однако очень смутно понимаем общий механизм изменения климата на Земле. Споры о том, были ли динозавры холоднокровными или теплокровными животными, становятся все более «горячими». Эволюция человеческой расы содержит массу загадок и «недостающих звеньев».

Ученые так и не могут понять, каким образом человечеству удалось перейти от дикости к цивилизации. У нас нет даже общих представлений о том, как возникает речь. Некоторые ученые полагают, что дельфины обладают весьма высоким интеллектом, сравнимым с человеческим, и могли бы многому научить нас при условии, что мы найдем способ общения с ними. Миграция птиц остается для нас поразительным и малопонятным явлением.

Мы не можем утверждать, что трава обладает собственным зеленым цветом. Возможно, понятие цвета обусловлено особенностями нашего восприятия. Поразительно высокий уровень развития астрономии и календарной системы древних майя свидетельствует о том, что научные достижения могут определяться практической ценностью.

Физикам пока никак не удается объединить теорию гравитации с теорией трех других известных им фундаментальных взаимодействий.

Свет ведет себя то подобно волне, то подобно потоку частиц, а мы можем лишь теоретически обсуждать причины этой дуальности.

Физики давно не могут разобраться с парадоксом шредингеровского кота, который формально является одновременно и живым, и мертвым.

Мы уверены в существовании черных дыр, но не понимаем, что происходит в них.

Ученым пока не удалось достаточно точно оценить возраст Вселенной.

Математическая модель утверждает, что каждый наш поступок может порождать новые вселенные. Такой подход превращает реальный мир в сказочную страну Оз.

• В настоящее время физики оперируют с таким количеством измерений, что введение в начале XX века Эйнштейном представления о времени как о четвертом измерении выглядит удивительно скромным.

• Наконец, нам, естественно, хотелось бы узнать о будущей эволюции Вселенной.

Впрочем, по-видимому, не стоит и пытаться перечислить все вопросы, на которые наука пока не имеет ответа. В природе много тайн, разгадка которых составляет важную и ценную часть человеческого существования. Мы, люди, хотим знать всё, и поэтому постановка вопросов и поиски ответов на них не закончатся никогда.

1. Livio, Mario. The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Infinite Beauty of the Cosmos. New York: John Wiley & Sons, 2000. M. Ливио является одним из руководителей программы исследования пространства при помощи космического телескопа «Хаббл» и поэтому прекрасно осведомлен о последних достижениях в этой области. Он убежден, что долг и предназначение человечества состоят в упорядочении Вселенной, и рассматривает влияние этого фактора на развитие науки. Книга написана в яркой и увлекательной манере.

2. Gribbin, John. In Search of the Big Bang: The Life and Death of the Universe. New York: Penguin, 1999. Значительно расширенное и пересмотренное издание одной из самых первых популярных книг по данному вопросу.

3. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Исключительно ясное, краткое и исчерпывающее изложение проблемы, которое я с удовольствием рекомендую заинтересовавшемуся читателю.

4*. Clarke, Arthur С, The Nine Billion Names of God, 1957. (Имеется перевод: Кларк Артур Чарлз. Девять миллиардов имен бога. В сб. Библиотека современной фантастики. Т. 6. — М.: Молодая гвардия, 1966.)

Замечание. Компьютеры, религия и конец Вселенной неразрывно связаны в сюжете классического научно-фантастического рассказа Артура С. Кларка «Девять миллиардов имен бога» [4]. Этот знаменитый рассказ многократно переводился, комментировался и до сих пор включается почти во все антологии фантастики.