Пять возрастов Вселенной

Чтобы узнать, придет ли конец эпохе черных дыр, важно найти ответ на вопрос, является ли Вселенная открытой или плоской. В плоской Вселенной черные дыры могут оказаться вечными. Несмотря на то. что плоская Вселенная обречена на вечное расширение, с течением времени это расширение продолжает замедляться. В отсутствие быстрого расширения содержимое обширных областей Вселенной вступает в гравитационную связь и взаимодействует. В отдаленном будущем плоской Вселенной сверхскопления мертвых галактик притягивают другие сверхскопления, образуя еще большие конгломераты черных дыр. В пределах этих гигантских гравитационно связанных скоплений отдельные силы, действующие между триллионами черных дыр, составляющих всю совокупность, заставляют тяжелые черные дыры падать к центру и сливаться друг с другом. Более мелкие дыры выбрасываются из скопления с огромной скоростью. Эти процессы структурообразования (образования еще более крупных конгломератов черных дыр) и релаксации (тенденции тяжелых тел падать к центру конгломерата) вполне могут продолжаться бесконечно долго. В итоге черные дыры могут сливаться друг с другом и увеличиваться быстрее, чем они разрушаются в процессе испарения Хокинга.

С другой стороны, в открытой Вселенной для роста черных дыр существуют куда более серьезные препятствия. В данном случае Вселенной также суждено расширяться вечно, но теперь это расширение происходит гораздо быстрее. В такой быстро расширяющейся Вселенной, где составляющие скопление черные дыры с большими скоростями разлетаются в стороны, им куда сложнее слиться и стать крупнее. И хотя большие черные дыры, расположенные в центрах галактик, могут увеличить свою массу в сотни и даже тысячи раз, их дальнейшему росту препятствует быстрое расширение Вселенной. В случае открытой Вселенной эпоха черных дыр должна, в конечном итоге, завершиться, и наши современные научные знания свидетельствует о том, что переход в новую эпоху произойдет где-то около сотой космологической декады, когда испарятся черные дыры с галактическими или сверхгалактическими массами. После этого те крохи, что остались от Вселенной, перейдут в следующую эпоху.

Глава 5 Эпоха вечной тьмы > 101

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.