Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."

Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)

сообщить о нарушении

Текущая страница: 22 (всего у книги 31 страниц)

Пятой проблемой является уже упоминавшаяся крупномасштабная структура Вселенной, представленная на рис.  8.5, с галактиками, группирующимися вокруг пустот размерами в сотни миллионов световых лет. Там мы видели, что эта структура есть сильно увеличенная версия комковатости первичной Вселенной, когда ее масштаб, в сравнении с наблюдаемым сегодня, был немногим больше бесконечно малой точки. Но почему эта точка была комковатой вначале и почему, в свою очередь, комковатость, которой она обладала, стала такой, какую мы видим сегодня? Эта проблема лежит полностью за пределами возможностей теории Большого Взрыва. Мы не можем утверждать, что понимаем нашу Вселенную, если у нас нет ни малейшей идеи о происхождении крупнейших объектов в ней!

Эти пять проблем – происхождение расширения, проблема горизонта, проблема плоскости, проблема отсутствия монополей и наличие крупномасштабной структуры – весьма серьезны. Однако теория Большого Взрыва так успешна в других отношениях, что было бы трудно отказаться от нее. Конечно, эксперименты действительно подтверждают, что Вселенная проходила очень горячую фазу и с тех пор расширяется. Ответ должен лежать в событиях, происходивших в самые ранние моменты Большого Взрыва, событиях, предшествовавших тем, что рассматривались до сих пор (но все еще по эту сторону от абсолютного начала). Теорией, принимаемой на сегодняшний день, является теория раздувания(иначе, инфляции).

Раздувание – это необычное расширение. Раздувание – это оченьбыстрое расширение. Вы могли к этому моменту заметить, что я не слишком легко использую слово «очень», а слово «очень»и подавно. В этом случае я имею в виду расширение со скоростью, превосходящей скорость света. В действительности, я имею в виду гораздобольше, чем это. Не тревожьтесь о том, что нечто происходит быстрее, чем может двигаться свет: в концепции сверхсветового расширения нет никаких особых трудностей, поскольку расширяется сам масштаб пространства; распространение сигнала через это пространство мы не рассматриваем. В сценариях раздувания (их несколько вариантов, каждый построен на некоторой центральной идее) нечто – мы еще вернемся к нему – включается через 10 ⁻³⁵секунды после начала. Затем действие начинается. Каждые следующие 10 ^{− 35}секунды размер Вселенной более чем удваивается [43]43
  Под этим «более чем удваивается» я имею в виду экспоненциальное раздувание, увеличение размера на множитель e= 2,718…


[Закрыть]и продолжает более чем удваиваться каждые 10 ⁻³⁵секунды до выключения раздувания примерно через 10 ^{− 32}секунды, время 100-кратного более-чем-удвоения. Посмотрим, что это значит в более человеческих терминах. Пусть начальный размер равен 1 см. Одно более-чем-удвоение дает нам 2,7 см. Два увеличивают до 7,4 см. Три до 20 см. После десяти достигаем 220 метров. Через двадцать получаем 4852 километра. К пятидесяти имеем 5480 световых лет (вспомним, что прошло 5×10 ^{− 34}секунды). Вдвое больше более-чем-удвоений объемлют галактику. Немного больше еще – локальную группу галактик. После более чем 100 более-чем-удвоений первоначальный объект вырастает в 10 ⁴³раз. В некоторых версиях раздувания расширение даже больше, порядка числа 10, умноженного на самого себя триллион раз, или 10 ^{1 000 000 000 000}. Это огромное, действительно огромное увеличение, происходящее за 10 ^{− 32}секунды!

Отступим немного назад от этого замечания. Я преднамеренно драматизировал раздувание, говоря на языке человеческих единиц. Теперь, однако, вы увидите, что наилучшим способом было бы представлять его себе в терминах фундаментальных единиц. С этой более фундаментальной точки зрения раздувание происходило неторопливо. Сначала ему потребовалось 10 ⁻³⁵секунд, чтобы начаться. Этот начальный период в действительности, конечно, занял очень большое время, поскольку он соответствует ста миллионам планковских тиканий (в трех годах содержится около ста миллионов секунд, поэтому, чтобы легче воспринять это время, представьте себе три года). У того, что готовилось включиться, было много времени, чтобы собраться с силами. Затем период более-чем-удвоения: на него ушло еще сто миллионов неторопливых тиканий – еще «три года» – на каждый эпизод, что едва ли безумно много.

Давайте посмотрим, как раздувание решает проблемы модели Большого Взрыва. Проблема горизонта решена, потому что все точки, которые сегодня разнесены слишком далеко для того, чтобы иметь возможность контакта на скорости света, на самом деле были в начале очень близки и имели много времени для общения друг с другом. Другими словами, наша современная видимая Вселенная была однажды вся упакована в столь малую область, что сигналу хватало времени пройти ее насквозь и сделать однородной. Проблема плоскости решена, потому что раздувание уменьшает любую первоначальную кривизну, в точности так, как разглаживается поверхность надуваемого сморщенного баллона. Проблема монополей решена, поскольку даже если монополи первоначально присутствовали, теперь в нашей области Вселенной мог бы быть применен лишь один, и неудивительно, что его еще не поймали. Причина в том, что находящееся здесь вещество формировалось после раздувания, в то время как монополи формировались до него и были отдуты далеко. И, наконец, следует подчеркнуть, что, если теория раздувания верна, то Вселенная намного больше, чем мы когда-либо себе представляли, и все, что мы можем видеть – что мы когда-либо сможем увидеть, – есть только очень малая доля всего, что есть. Унижение тоже раздулось, и еще больше будет раздуваться впредь.

Все еще остается вопрос: как началось раздувание? Мы также получили новую проблему: как оно закончилось? Почему оно выдохлось через 10 ⁻³²секунды? Идею раздувания впервые ввел датский астроном и математик Биллем де Ситтер (1872-34) в 1917 г. Он понял, что если вакуум обладает энергией, то должно возникать раздувание. То, что вакуум обладает энергией, не должно нас слишком беспокоить: то, что мы считаем «вакуумом» есть нечто произвольное, и о пустом пространстве не следует думать как об абсолютном ничто. Мы предположим, что вакуум наполнен полем, которое назовем скалярным полем. Очень примитивный способ составить представление о скалярном поле – это вообразить, что Вселенная связана с электродами батареи и повсюду находится под однородным напряжением, ну, скажем, в 12 вольт. Это напряжение невозможно было бы обнаружить ни в каком эксперименте, который мы могли бы проделать, и мы могли бы назвать это ложным вакуумом. Мы можем вообразить, что батарею отсоединяют, и Вселенная разряжается, причем 12-вольтный вакуум превращается в истинный вакуумс нулевым напряжением. Эти две версии вакуума для нас будут выглядеть одинаковыми, но они различны.

Так как эти идеи являются довольно странными, будет полезно взглянуть на них в более широком контексте. Во-первых, примечательным фактом является то, что химики до поздней стадии развития их науки не считали воздух подходящим предметом для изучения, ибо как нечто несубстанциональное может иметь химические свойства? То же самое мы можем думать о вакууме. История науки, похоже, следует по пути, на котором мы узнаем все больше и больше о все меньшем и меньшем; воздух уже седая древность, а в центре внимания физиков теперь множество разных вакуумов, и можно предположить, что, когда они подойдут к построению теорий об подлинном моменте начала Вселенной, им придется изучать уже совсем абсолютное ничто. Может быть, мы откроем, что абсолютное ничто имеет свойства и может принимать различные формы! [44]44
  Я не совсем шучу. Если Вселенная возникла из абсолютного ничто, то можно предположить, что придет время, когда нам придется исследовать, как нечто может произойти из абсолютного ничто , ex nihilo. Однажды ученым придется изучать абсолютное ничто.


[Закрыть]

Нам следует остановиться на вопросе, как наличие энергии у вакуума приводит к быстрому раздуванию. Этот механизм представляет собой вид положительной обратной связи. Во-первых, чем больше расширяется Вселенная, тем больше в ней образуется вакуума, и если вакуум обладает энергией, то полная энергия Вселенной возрастает. Далее, решения Фридмана показывают, что скорость расширения Вселенной растет вместе с энергией, которую она содержит, поэтому скорость расширения возрастает вместе с расширением. Поскольку скорость расширения пропорциональна масштабу Вселенной, этот масштаб возрастает экспоненциально со временем. Экспоненциальные изменения нарастают очень быстро, поэтому все большая скорость раздувания присутствует, пока присутствует скалярное поле (рис. 8.9).

Рис. 8.9.Раздувающаяся Вселенная. В короткий период времени после начала масштаб Вселенной начинает возрастать с колоссальной скоростью, более чем удваивая свой радиус каждые 10 ⁻³⁵секунды. Эра раздувания выглядит экспоненциальным ростом размера, но заканчивается за 10 ⁻³²секунды. После этого расширение проходит гораздо более неторопливо и соответствует одному из сценариев, показанных на рис.  8.4.

Однако в модели де Ситтера есть проблема отсутствия механизма прекращения раздувания. Раздувание продолжалось бы вечно, и в результате все вещество и излучение Вселенной быстро размазались бы до нуля, оставляя Вселенную пустой. Это противоречит опыту, поэтому его модель раздувания была отброшена и по большей части забыта. Однако в конце двадцатого века концепция раздувания возродилась на двух изолированных островках интеллектуальной активности, каждый за горизонтом коммуникации другого. Один центр активности был в тогдашнем Советском Союзе, где в 1979 г. Алексей Старобинский использовал идеи из общей теории относительности для развития более ранней идеи, которую другой русский, Эраст Глинер, предложил в 1965 г. За горизонтом, в Соединенных Штатах, Алан Гут рассматривал проблему нежелательного возникновения магнитных монополей как проблему физики частиц, и в 1981 г. пришел к похожей идее.

Центральной идеей этой ранней версии раздувания была идея рассматривать его как вид «фазового перехода», изменения состояния, аналогичного превращению воды в лед. Когда Вселенная раздувается, она охлаждается, и ее расширение столь огромно, что она может охладиться до абсолютного нуля. Тогда, однако, наступает момент, когда ложный вакуум коллапсирует в истинный вакуум, освобождая огромное количество энергии. Чтобы обрисовать этот переход, представьте себе ложный вакуум подобным жидкой фазе воды, прозрачной среде, которая выглядит, как будто там ничего нет. Раздувающееся состояние Вселенной похоже на переохлажденную воду, она имеет температуру много ниже точки замерзания, но остается жидкой. Когда вода внезапно замерзает, она освобождает «скрытую теплоту», поскольку молекулы воды организуются в структуру с более низкой энергией, лед. Подобным же образом переохлажденный ложный вакуум внезапно превращается в истинный вакуум, освобождая всю энергию скалярного поля, повышая температуру Вселенной и приводя раздувание к концу. С этого момента сценарий Большого Взрыва завершен, и Вселенная продолжает расширяться гораздо более неторопливо.

В этом суть «старого» сценария раздувания. Как можно предположить из этого названия, существует и более новая версия. Проблема старой модели состоит в том, что освобождение энергии снова нагревает Вселенную так сильно, что в конце эры раздувания появляется много дефектов – монополей, – слишком много для того, чтобы раздувание могло их унести. Другая проблема связана со скоростью, с которой раздувание происходит и приходит к концу. Например, в своей ранней форме Вселенная коллапсировала бы прежде, чем у раздувания было бы время развиться. Один из «новых» сценариев раздувания решает эти проблемы.

Многообещающим сценарием является сценарий хаотического раздувания, введенный Андреем Линде в 1982 г. и с тех пор подробно разработанный им и другими физиками. Не требуется никакого высокотемпературного фазового перехода в скалярном поле. Вместо этого появляется холодная Вселенная с произвольной величиной скалярного поля (в терминах нашей прежней аналогии, с произвольным напряжением), и, если поле достаточно велико, возникает раздувание. По ходу дела поле медленно убывает до состояния, соответствующего истинному вакууму (напряжение медленно снижается), и раздувание подходит к изящному концу. Подъем температуры, сопровождающий так называемый изящный выходиз эры раздувания, оказывается намного меньшим, чем в модели фазового перехода. Следовательно, производится гораздо меньше дефектов, и никаких монополей, а производимая температура достаточно высока, чтобы инициировать стандартную эпоху Большого Взрыва, в которой мы все еще обитаем. Флуктуации плотности, которые возникают из этого сценария, как раз согласуются с расчетами для распределений галактик, а также для малых флуктуаций наблюдавшегося до сего дня космического фонового излучения. Хотя теории раздувания в высшей степени умозрительны, и, записанные в чисто качественном виде, могут звучать не лучше, чем примитивные мифы творения, но они жестко регламентированы математикой и делают предсказания, которые можно проверить экспериментально непосредственно в нашей текущей эре. Космогенез является кульминацией воображения, приложенного к науке, но это все еще наука, поскольку она поддается опытной проверке.

Еще одним интересным выводом из теории хаотического раздувания является то, что точечные дефекты, которые мы называем магнитными монополями, вовсе не уничтожаются. На самом деле, раздувание их тоже раздувает. Более того, эти точечные дефекты продолжают расширяться даже тогда, когда раздувание вокруг них прекращается. Точечные дефекты могут действовать как зародыши новых Вселенных. Эта гиперкосмическая конфигурация является, конечно, окончательным унижением: наша Вселенная может быть всего лишь одной из бессчетного множества других. Мы не только являемся обитателями незначительной (но чудесной) планеты около незначительной (но чудесной) звезды незначительной (но чудесной) галактики в незначительной (но чудесной) видимой Вселенной, но и эта Вселенная, возможно, является незначительной среди бесчисленного множества других, существующих в «мультикосмосе», каждая из которых бесконечна в своем простирании.

Наша Вселенная необязательно возникла в начале времен, ведь она может быть потомком в какой-то ветви на дереве из несчетных триллионов других (рис. 8.10). И хотя мы можем говорить, что наш Большой Взрыв произошел 15 миллиардов лет назад, подлинное начало первоначальной Вселенной, вероятно, было неизмеримо дальше во времени, почти – но будем надеяться, что нет – за пределами того, что может вообразить наука.

Рис. 8.10.В одной из версий раздувания существующая Вселенная может формировать почки новых Вселенных, которые немедленно раздуваются так же, как, по-видимому, делала наша Вселенная. Этот взгляд на Вселенную помещает истинный момент творения всей системы Вселенных далеко назад во времени, поскольку мы можем быть обитателями отпочковавшейся Вселенной, произошедшей от мириад других, с пра-Вселенной, истинной первоначальной Вселенной, образовавшейся триллионы и триллионы лет назад – если времена этих других Вселенных можно складывать. Один из возможных ответов на вопрос «где же эти другие Вселенные» утверждает, что они среди нас: если мы представим себе пространство-время, как составленное из точек, которые мы считаем близкими друг к другу, то умозрительно допустимо, что другие Вселенные используют те же самые точки, но связанные другим способом, так что точки, составляющие кубический миллиметр этой Вселенной, могут быть распределенными по всему пространству-времени другой Вселенной.

Есть еще два больших вопроса, к которым нам надо вернуться. Первый: почему Вселенная (наша частная Вселенная в мультикосмосе, можно добавить теперь) так кособока? Второй: почему Вселенная является трехмерной?

Во-первых, почему вещества больше, чем антивещества? Одной их возможностей является то, что галактики из антивещества существуют где-то еще. Тот факт, что мы не видели ни одной, не противоречит другим областям космологии, но нету никаких свидетельств о таких галактиках. Ведь поскольку межгалактическое пространство наполнено атомами водорода – ну, «наполнено» это преувеличение, но их много – мы ожидали бы увидеть интенсивное излучение от аннигиляции этих атомов с антивеществом галактик, проплывающих сквозь них. Никакого такого излучения не наблюдается, поэтому все выглядит, как если бы вещества было действительно больше, чем антивещества. Чтобы быть более точным, следует сказать, что если бы первоначально вещества было столько же, сколько антивещества, они бы аннигилировали друг с другом, и все что осталось бы нам теперь, было бы фотонами от излучения, возникшего из аннигиляции. На самом деле, на каждый миллиард фотонов имеется одна частица, поэтому первоначально должно было иметься легкое преобладание частиц над античастицами. Как это могло случиться?

Русский физик и диссидент Андрей Сахаров (1921-98) подошел к основным принципам в 1965 г., но остановился перед механизмом их обеспечения. Он показал, что должны быть выполнены три условия. Одним из них было существование процессов, не сохраняющих число адронов, в том смысле, что адроны (например, протоны) могут превращаться в лептоны (например, позитроны). Вторым было то, что CP-симметрия должна нарушаться (C обозначает конфигурацию зарядов, P – четность, см. главу 6). Третьим было то, что события должны происходить достаточно медленно, чтобы равновесие могло нарушиться: нарушение равновесия, случившееся в некоторый момент, должно остаться вмороженным во Вселенную, быстро эволюционирующую в будущее.

Мы теперь знаем, что предполагаемая теория великого объединения, обсуждавшаяся в главе 6, устраняет различие между адронами и лептонами, поэтому при достаточно высоких температурах (больше температуры, необходимой для нарушения симметрии, создающего различие между частицами) адроны и лептоны могут превращаться друг в друга. Мы можем представлять себе это превращение как действие сил некоторого вида, которые заставляют адроны становиться лептонами. Эти превращения, будучи силой, обеспечиваются – как и любая сила – путем обмена калибровочными бозонами. Поскольку теория великого объединения в полном оперении еще не сформулирована, у нас немного информации о свойствах этих переносящих силу частиц, и сегодня они называются просто X калибровочными бозонами. Однако мы знаем, что, поскольку X вызывает переход между адроном и лептоном, он сможет распасться на позитрон и анти– d-кварк. Подобным же образом, античастица для X, анти-Х, может распасться на электрон (античастицу позитрона) и d-кварк. Если скорости этих распадов немного различаются, то возникнет небольшой дисбаланс вещества и антивещества, даже если первоначально количества X и анти-Х были равными. Вот где вступает в дело нарушение CP-симметрии, поскольку оно может несколько повысить скорости таких процессов. Мы видели, что нарушение CP-симметрии эквивалентно исчезновению инвариантности относительно обращения времени, в том смысле, что процессы, текущие назад, отличаются от процессов, текущих вперед во времени, и эта кособокость Вселенной во времени действительно зарегистрирована. Теперь считается, что преобладание вещества над антивеществом является проявлением кособокости Вселенной. Почему Вселенная кособока, никто не знает. Возможно, кособока только наша Вселенная, а мультикосмос как целое – если он один – может быть вполне симметричен.

Оставшейся проблемой является причина трехмерности нашего пространства. Первый намек на возможное объяснение начинает возникать из теории струн. Мы подозрительно упорно умалчивали в этой главе о теории струн, если не считать слабого проблеска ее присутствия в сносках, главным образом потому, что она все еще так спекулятивна. Однако существуют некоторые указания на то, что теория струн приложима к очень ранним стадиям появления Вселенной – как оно и должно быть, если это фундаментальная теория вещества – и что в самый ранний момент Вселенной произошел не взрыв частиц, а взрыв струн: взрыв спагетти, а не манной крупы. Например, мы видели, что в очень ранние времена, а значит, при очень высокой температуре, перед тем как произошло нарушение симметрии, все силы имели одинаковый уровень. Но это не вполне верно, поскольку оказывается, что если вычисления проделаны тщательно, то уровни гравитационного, сильного и электрослабого взаимодействий в очень ранней Вселенной, в первое тиканье планковских часов, не вполне совпадают (рис. 8.11). Однако, когда в игру вступает теория струн, это малое расхождение удаляется, и силы в момент их рождения оказываются в точности равными.

Рис. 8.11.В главе 6 мы видели, что фундаментальные силы сходятся к общей величине, когда мы подходим к моменту (и температуре) Большого Взрыва. Это не вполне верно, поскольку в течение очень короткого времени между ними имеется небольшое различие. Если обратиться к теории струн, это расхождение, по-видимому, исчезает.

Мы видели, что одной из очаровательных черт теории струн является то, что она предполагает существование у Вселенной десяти измерений (одиннадцати, включая время), но семь из них свернуты в пространства Калаби-Яу, со струнами, продетыми в многомерные дырки этих пространств. Мы можем представлять себе струны намотанными в одном направлении, а антиструны намотанными в противоположном направлении. Когда струна и антиструна встречаются, они аннигилируют, поэтому мы можем нарисовать себе десятимерное пространство с извивающимися струнами и антиструнами, аннигилирующими при встрече. Там где встречи не происходит, струны удерживают пространство от развертывания, так же как реальные струны, закрученные вокруг бумажной трубки.

Теперь нам нужны дальнейшие факты. В одномерном пространстве, похожем на перекладину счетов, точка и ее антиматериальный двойник, другая точка, почти наверняка встретятся и аннигилируют, если только они не движутся с одинаковой скоростью в одном направлении. В двух измерениях, как на бильярдном столе, встреча двух точек гораздо менее вероятна (рис. 8.12).

Рис. 8.12.Две частицы в одномерной области – как две бусины на нитке (верхняя иллюстрация) – обязательно встретятся, если только они не движутся с одинаковой скоростью. В двумерной области – как у бильярдных шаров на бильярдном столе (нижняя диаграмма) – шансы их встречи сильно уменьшаются.

 Когда вместо точек мы пытаемся представить себе встречу струны и антиструны, оказывается, что они скорее всего встретятся при условии, что размерность пространства не более чем три. Это предполагает – и это на данной стадии не более чем интригующее предположение, – что струны и антиструны, которые можно представлять себе удерживающими в свернутом состоянии три размерности, вероятно, аннигилируют друг с другом и освобождают соответствующие размерности, давая им возможность развернуться (рис. 8.13). То есть три размерности разворачиваются, и разворачиваются, прежде чем у оставшихся размерностей будет время сделать то же самое, Вселенная переходит к следующей фазе своего развития, возможно, к раздуванию, оставляя семь размерностей в капкане навсегда.

Рис. 8.13.Две струны, струна и антиструна, движущиеся вдоль свернутого измерения, встретятся и аннигилируют, давая возможность измерению развернуться. В теории струн существует указание на то, что струны имеют много шансов для встречи в трех измерениях, подобно точечным частицам в размерности один. Оставшиеся измерения пойманы, так что лишь три измерения разворачиваются, чтобы образовать размерность нашей знакомой Вселенной.

О прошлом сказано много, а как насчет будущего? Я уделю внимание нашему предположительно бесконечному будущему в меньшей степени, чем нашему, по-видимому, конечному прошлому. По общему согласию будущее у нас есть, довольно длинное будущее, если мы готовы туда идти. В качестве исходной точки я возьму предположение, что Вселенная не является замкнутой, поэтому в будущем не ожидается схлопывания: Вселенная бесконечна сегодня, и ее масштаб будет увеличиваться всегда. Это, по-видимому, общепринятая среди космологов точка зрения. Всегда существует возможность, что они не правы, в этом случае Вселенная сегодня конечна и закончится Большим Хлопком, возможно, через несколько триллионов лет.

Вселенная, похоже, не только будет всегда расширяться, но существуют накапливающиеся свидетельства того, что ее расширение ускоряется. Это открытие потрясло мир космологии, поскольку его следствия для Вселенной фундаментальны. Нам следует вспомнить, что Хаббл использовал цефеиды для определения расстояния до галактик. Альтернативным подходом является использование в качестве стандартного светильника сверхновой типа Iа. Сверхновая типа Iа образуется, когда белый карлик, звезда с массой, приблизительно равной массе Солнца, но размером с Землю, в тесной двойной системе обрастает веществом, получаемым от соседа, в количестве, достаточном для запуска разгоняющейся ядерной реакции. В отличие от сверхновых типа II (коллапс ядра), которые мы обсуждали ранее, сверхновые типа Iа в высокой степени однородны по интенсивности. Поэтому, так же как переменные цефеиды, они действуют как стандартные светильники, и мы можем использовать их воспринимаемые интенсивности, чтобы судить о расстоянии до них. Их преимущество состоит в том, что сверхновые намного ярче цефеид, поэтому их можно использовать для изучения гораздо более удаленных объектов.

В 1998 г. было обнаружено, что количество удаленных сверхновых типа Iа оказывается меньше, чем было бы, если бы расширение Вселенной замедлялось или даже просто продолжалось с постоянной скоростью. Если это свидетельство подтверждается, то должен существовать вклад в энергию, приписываемую вакууму, похожий, скорее, на существовавший в эру раздувания, но сегодня гораздо меньший по величине. Этот вклад, называемый космологической постоянной, впервые ввел Эйнштейн, чтобы уравновесить гравитационное тяготение и остановить сжатие Вселенной, а затем, когда узнал о результатах Хаббла, отказался от него, как от «своего величайшего просчета». Теперь становится ясно, что признание Эйнштейном «своего величайшего просчета», оказывается было даже более великим просчетом. Таинственная энергия, ответственная за это ускорение, называется темной энергией, или, с большей долей воображения, иронически вторя Аристотелю, квинтэссенцией. Один из возможных сценариев, вытекающих из неравенства космологической постоянной нулю, состоит в том, что новая эра раздувания уже началась и что ускорение расширения Вселенной будет должным образом – около миллиона триллионов триллионов лет (10 ³⁰лет), или что-то в этом роде – возрастать до невероятных размеров. Если это так, нам придется испытать внезапное погружение в почти абсолютное одиночество, когда в поле зрения останутся лишь исчезающие вдали остатки нашей Галактики с Андромедой. Я буду считать, что эта фаза экспоненциально быстрого расширения не настанет раньше, чем смогут произойти другие события, но гарантии, без сомнения, нет.

Солнце исчезнет довольно скоро, примерно через 10 миллиардов лет. Оно распухнет и станет Красным Гигантом с радиусом, далеко перевалившим за орбиту Земли, поэтому с простейшей точки зрения на предмет мы можем ожидать, что Земля прямо на орбите превратится в золу. Земля испытает торможение, когда ее швырнет в приблизившееся к ней очень разжиженное солнечное вещество, и будет снижаться по спирали пятьдесят лет до своей смерти в недрах Солнца. Все, что останется от наших достижений, будет легким загрязнением Солнца, мы просто станем еще одним вкладом в загрязнение среды. Я сказал «с простейшей точки зрения». Существует возможность, что в процессе раздувания в Красный Гигант, становясь в сотни раз ярче, чем теперь, Солнце выбросит в пространство много вещества и станет поэтому менее массивным. В результате уменьшения гравитационного притяжения планет к похудевшему Солнцу, земная орбита расширится и может уйти так далеко, что мы избежим испепеления; Венера, наша более близкая к Солнцу соседка, возможно, спасется тоже. Солнце тем временем останется белым карликом, с массой около половины нынешней. Более крупные звезды, которые живут меньше, чем маленькие, тоже окончат жизнь драматически, образовав либо нейтронные звезды, либо черные дыры.

Галактики не могут жить дольше, чем их звезды, так же как человеческие сообщества не переживают входящих в них людей. Основываясь на динамике формирования и эволюции звезд и способе, которым они переправляют вещество обратно в свои галактики, можно заключить, что эра формирования звезд, возможно, придет к концу примерно через сто триллионов лет (10 ¹⁴лет). Задолго до этого, примерно через 6 миллиардов лет, случится небольшая локальная неприятность, когда Андромеда врежется в Млечный Путь или, по крайней мере, оставит по краю царапину, однако в космическом масштабе это событие не будет иметь большой значимости. Когда прекращается формирование звезд, можно ожидать, что галактики состоят теперь из смеси почти равных долей белых карликов и коричневых карликов(холодных неудачливых звезд, недостаточно массивных, чтобы зажечься; их массы должны быть меньше восьми масс Юпитера), с небольшой кучкой черных дыр. На самом деле, очень медленное формирование звезд может продолжаться, так как эти коричневые карлики сжимаются, сливаются и становятся достаточно массивными, чтобы зажечься. Белые карлики также будут сжиматься и объединяться в более крупные карлики. Черные дыры тоже будут обрастать звездами, и примерно через сто триллионов триллионов лет (10 ²⁶лет) черные дыры, по предположению находящиеся в центре галактик, будут жадно поглощать свои звезды. Эти огромные черные дыры с массами около 10 миллиардов Солнц, будут проплывать по Вселенной как акулы, поедая кильку одиноких звезд, которые отстали от своих галактик в предыдущие эры. Если эти звезды являются белыми карликами, их ядерные реакции будут продолжаться долго, но они будут тускло светиться излучением протонов радиоактивного распада с временами жизни порядка 10 ³⁵лет. Интенсивность излучения будет такой низкой, что вам придется быть очень внимательными, чтобы заметить их: типичный белый карлик, работающий на топливе протонов распада, имеет светимость 400-ваттной лампочки.

Черные дыры умирают. Излучение Хоукинга, предсказанное космологом Стивеном Хоукингом в 1974 г., можно представить себе следующим образом. Вакуум (а мы научились задавать себе вопрос, что мы имеем в виду под этим словом) является бурлящей пеной частиц, вступающих в мимолетное существование. Если мы представим себе пару из частицы и античастицы, появившуюся на горизонте черной дыры, поверхности, окружающей примыкающую к дыре область пространства, которую ничто не может покинуть, то может оказаться, что одна частица образуется внутри горизонта, а ее партнер снаружи от него (рис. 8.14). В результате одна частица захватывается, а ее партнер улетает. Улетающая частица уносит энергию из области дыры, так что масса дыры уменьшается. Это очень медленный процесс. Для черной дыры с массой галактики можно ожидать, что он займет 10 ⁹⁸лет. Поэтому мы можем заключить, что примерно через 10 ¹⁰⁰лет Вселенная будет состоять из электромагнитного излучения, электронов и позитронов. В свою очередь, электроны и позитроны встретятся, аннигилируют и превратятся в электромагнитное излучение. Длины волны излучения во Вселенной будут растягиваться по мере того, как Вселенная продолжает расширяться, также как сияние Большого Взрыва растянулось в микроволновое фоновое излучение космоса.