Методические материалы, статьи

Судьбы Вселенной

«Вселенная — дыхание вечности» — называлась «тема номера» в № 1 за 2000 год. Продолжаем рассказ об изучении нашего большого мира.

Впору давать объявление: «Потерялась теория. Нашедшего просят вернуть…» и так далее. Нет, в самом деле, я еще живо помню, как на лекциях в университете нам излагали теорию тепловой смерти Вселенной и как затруднялись наши лекторы по марксизму вколотить в наши недоверчивые головы, что теория эта неверна.

Теория, как назло, выглядела весьма убедительно. Тепло само собой переходит от нагретых тел к менее нагретым, так что их температура выравнивается — стало быть, спустя некое время во Вселенной должна наступить «тепловая смерть», ибо все процессы во Вселенной происходят в конечном счете в силу разности температур. К примеру, все, что происходит на Земле, включая процессы жизни, имеет источником энергии Солнце, а если бы Солнце и Земля были одинаковой температуры, то никакого потока энергии между ними не было бы никогда.

Теория, повторяю, выглядела убедительно, и беспомощный лепет наших марксистов никак не мог поколебать ее авторитет в наших глазах. Они нам говорили, что рассуждения насчет разностей температур и потоков энергии верны только в замкнутой системе, а поскольку Вселенная бесконечна, то она никак не может считаться замкнутой, а мы недоверчиво смотрели на них с высоты наших амфитеатров и думали: как же она незамкнутая, раз она — Вселенная, то есть за ее пределами все равно ничего нет? Самым забавным во всем этом, как я теперь понимаю, была полная бессмысленность нашего непримиримого противостояния: дело происходило спустя десятки лет после открытия (Эдвином Хабблом) расширения Вселенной, каковое попросту перечеркнуло все споры о тепловой смерти, поскольку рассуждения, приводившие к этой теории, применимы лишь к равновесным состояниям; расширяющаяся же Вселенная не является равновесной. Мы, однако, об этом даже не задумывались, потому что не знали, а наши лекторы и знать не хотели, ибо втиснуть расширение Вселенной, а с ним (поневоле) и релятивистскую космологию Эйнштейна в марксистскую схему природы им было еще труднее, чем втиснуть туда ее, природы, тепловую смерть.

Но вот со времени открытия Хаббла прошло более семидесяти лет, о тепловой смерти, якобы угрожающей Вселенной, все уже и думать забыли, однако заботы о будущем нашего огромного космического дома по-прежнему не оставляют ученых и заставляют их время от времени возвращаться к соответствующим размышлениям и расчетам. Жизнь ведь идет, открываются все новые факты и закономерности, уточняются прежние представления, и на каждом новом этапе приходится пересматривать старые прогнозы: то, что казалось верным и надежным вчера, сегодня уже таким не видится. Как там говорила поэтесса? «Вчера еще в ногах лежал…» Вот именно. Вчера.

Расширение тоже грозит Вселенной (и жизни в ней) многими осложнениями, и не далее как в 1979 году замечательный физик Фримэн Дайсон из Института высших исследований в Принстоне (это тот институт, где в свое время работали Эйнштейн и Гедель) опубликовал статью, в которой впервые привлек внимание коллег к этим осложнениям. Года четыре спустя был предпринят следующий, соответственно осовремененный анализ этих перспектив, а третий, совсем недавний, появился в конце 1999 года. Попробую прежде всего пояснить, чем вызваны эти периодические «переэкзаменовки». Та или иная судьба расширяющейся Вселенной зависит в первую очередь от того, достаточно ли в ней массы (создаваемой веществом и энергией), чтобы преодолеть инерцию первоначального «толчка» (того Большого Взрыва, который примерно 14 миллиардов лет назад швырнул будущую Вселенную во все стороны сразу). Если достаточно, то Вселенная должна в конце концов остановиться и затем начать сжиматься вспять к первоначалу, и тогда всему, что в ней есть, суждено погибнуть в огненной печи той «особой точки», в которую Вселенная стянется на исходе своего очередного «цикла расширение — сжатие». Если же притяжения этой массой самой себя не хватит для самоостановки, Вселенной суждено расширяться вечно, и тогда сценарий ее будущего становится еще занятней. Казалось бы — что может быть занятней сжатия «всего» в сверхраскаленную сверхплотную Точку? Противоположное, разумеется, — бесконечное расширение того же «всего» в сверхледяное, сверхразреженное Ничто.

Авторы нового анализа судеб Вселенной, американские университетские физики Краусс и Штаркман, начинают свое изложение словно в сериале — с краткого пересказа предшествующих событий. В данном случае эти события таковы. В начале, когда Вселенная только родилась, она целиком состояла из излучения, порожденного Большим Взрывом. По мере расширения она остывала, пока наконец не достигла температур, при которых могли уже устойчиво существовать частицы вещества. Этот переход легко понять. Если бы мы налили немного воды в закупоренную колбу и поставили ее на огонь, вся вода со временем превратилась бы в пар и не могла бы существовать в ином виде: если бы какие-то молекулы даже и сложились случайно в каплю жидкой воды, то их собственное движение — чудовищно быстрое при такой температуре — сразу разорвало бы эту каплю обратно на отдельные молекулы пара. Однако затем, по мере остывания колбы, скорость движения молекул стала бы намного меньше, и среди них появились бы такие медленные, которые могли бы сложиться в устойчивые капли. Разумеется, это всего лишь грубая аналогия, во Вселенной дело происходило много сложней, но в целом — с тем же результатом: излучение стало остывать (то, что от него осталось, было недавно обнаружено в виде так называемого реликтового, или остаточного, радиационного фона Вселенной); появилось вещество; возникли огромные, космических размеров облака газа; в них образовались многочисленные центры сгущения — будущие звезды; со временем на месте этих облаков образовались первые галактики, а затем и скопления галактик, и вот так в конце концов сложилась та Вселенная, какой мы ее сегодня видим.

Все это время Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но если верны наблюдения последних лет, скорость этого расширения не только не уменьшается, но и не остается постоянной — она явно стала возрастать (не вчера, не позавчера, конечно, но с какого-то времени в прошлом), а это значит, что в действие вступили какие-то доселе неизвестные силы, ускоряющие разлет галактик. Недавно ( см. № 10 за 2000 год) я рассказывал о гипотезе Андреаса Альбрехта, согласно которой эти силы отражают воздействие на нашу Вселенную процессов, идущих в других ее пространственных измерениях, недоступных нашему восприятию. Существуют и другие гипотезы на этот счет, но все они сводятся к тому, что в нашей Вселенной обнаружилось какое-то скрытое энергетическое поле, которое проявляется в виде силы, ускоряющей расширение Вселенной (по аналогии с невидимым «темным веществом» эту энергию тоже иногда называют «темной»). Поле это слабое: пока галактики были близко друг к другу, гравитационное притяжение между ними намного превосходило это слабое отталкивание, но сейчас, когда расстояния стали достаточно большими и гравитация, соответственно, уменьшилась, она уже не в состоянии скомпенсировать «расширяющее поле», и оно постепенно начинает брать верх.

В отличие от событий на Земле, которые мы привыкли оценивать с точки зрения того, «хорошо ли это для евреев», события в космосе уместнее все-таки оценивать с точки зрения того, хорошо ли это для человечества в целом. Раньше о расширении Вселенной в этом плане как-то не задумывались. Так задумаемся наконец. Плотность вещества и энергии в ускоренно расширяющейся Вселенной будет ускоренно уменьшаться: при каждом удвоении линейных размеров плотность вещества будет падать в восемь раз (ибо плотность обратно пропорциональна объему, а объем растет как куб, то есть третья степень, линейных размеров: два в кубе это восемь). Энергия же, то бишь излучение, будет изреживаться еще быстрее, ибо кроме того что та же энергия излучения будет приходиться на все больший объем, само это излучение, в силу «растягивания» Вселенной, будет «растягиваться» тоже: его волны будут становиться длиннее, а частота (которая, по закону Планка, определяет собой энергию волны), наоборот, меньше; в целом, при каждом удвоении линейных размеров плотность энергии будет уменьшаться в 16 раз. Между тем, если кто-то хочет завоевывать Вселенную, как в победоносном сериале «Star Wars», или даже просто выжить в ней, как простые люди, не герои, ему надлежит обеспечить себя соответствующими материальными резерва-ми, — а где же их взять, когда они прямо из-под руки улетучиваются во все стороны и притом со все большей скоростью, буквально на глазах?

Переведем все это на более строгий язык науки. Скорость расширения Вселенной определяется скоростью относительного удаления галактик друг от друга; эта скорость, как показал Хаббл, пропорциональна расстоянию между ними, стало быть, по достижении определенного расстояния эта скорость превзойдет скорость света. Закону Эйнштейна (о невозможности превзойти скорость света) это не противоречит, так как закон Эйнштейна говорит о скорости движения материальных тел или информации в пространстве, меж тем как в случае разлета галактики речь идет об их удалении друг от друга за счет расширения самого пространства (ведь Вселенная расширяется не «в пространстве», а вместе «с пространством»). Так что галактики будут разлетаться и далее, даже превзойдя скорость света, а вот свет от них уже никогда не будет доходить к другим галактикам. Это значит, что с течением времени на нашем небе исчезнут все галактики, кроме тех ближайших, что входят в наше местное скопление. Подсчитано, что это произойдет «уже» через 2000 миллиардов лет. Но дальше дело пойдет еще хуже: в силу старения Вселенной и все более быстрого распыления ее вещества образование новых звезд будет происходить все более медленно, пока — через 100 тысяч миллиардов лет — не погаснут последние звезды даже в нашем местном скоплении. Печальное зрелище. Как сказал поэт, «если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно»; но кому может быть нужно, чтобы они гасли? Тем не менее природа захотела именно так, хотя мы и не понимаем, почему.

Разумеется, по мере дальнейшего расширения распадутся не только скопления галактик, галактики и отдельные звезды (включая белые, красные и коричневые карлики, а также нейтронные пульсары), но и сами атомы, а под конец — и те элементарные частицы, которые их составляют. В бесконечном пределе Вселенная станет, как мы и сказали выше, бесконечным ледяным Ничто. Даже религия не додумалась до такого «конца света».

Упомянутых выше авторов последнего (на данный момент) сценария судеб Вселенной, Краусса и Штаркмана, интересует в их статье в основном вопрос, что произойдет с человечеством в такой ситуации «ускоренного конца». Тот же вопрос когда-то интересовал и Дайсона, когда он впервые занялся этой проблемой. Оказывается, он его интересует до сих пор — авторы ссылаются на переписку, в которой Дайсон высказал новые идеи, позволяющие, на его взгляд, выжить даже в условиях этой «ледяной смерти Вселенной». Уже раньше досужие умы пришли к мысли, что собирать необходимые вещество и энергию человечество сумеет, «приручив» так называемые черные дыры, которые самой природой приспособлены для этой цели и весьма успешно занимаются притягиванием и поглощением окружающей материи уже сейчас, «ежедневно, ежечасно и в гигантских масштабах». Однако, когда выяснилось, что Вселенная хитрее досужих умников и расширяется с ускорением, идея использования «черных дыр» сама собой отпала: как пишут наши авторы, они произвели соответствующие расчеты и убедились, что «дыра», способная в своей прожорливости успешно соревноваться с ускоренным разбеганием Вселенной, должна быть больше этой Вселенной. Что есть абсурд и противоречие в определении.

Этот грустный вывод побудил авторов (совместно с Дайсоном) искать пути выживания будущих людей в ином направлении — прежде всего, в сознательном и намеренном понижении ими температуры своих тел (как мы уже говорили вначале, дабы черпать энергию из окружающей среды, надо быть холоднее окружающей среды); затем — когда и этого не хватит — в замораживании своих тел; на следующем этапе — в (фантастическом на сегодняшний день) отказе от тел вообще и передаче своего сознания компьютерам; и наконец — в снижении температуры таких «компьютеризованных сознаний» чуть ли не до абсолютного нуля (до уровня «остаточного космического излучения»), чтобы не терять драгоценных битов информации, составляющих эти сознания. Как показал Дайсон, такое понижение температуры может и в самом деле существенно уменьшить энергию, необходимую «мыслящим компьютерам» для их существования. Но ведь Вселенная и тогда будет продолжать расширяться, а ее «остаточный фон» — остывать. И непременно наступит момент, когда температура этого фона станет ниже того предела, до которого практически возможно охлаждать материальные тела (как установил Хокинг, такой предел существует). С этого момента дальнейшее охлаждение компьютеров станет невозможным. Но поскольку равнодушная к людям Вселенная и тогда будет безжалостно продолжать расширяться, то теперь уже компьютеры станут «горячее» окружающего пространства и начнут отдавать ему энергию. А отдавая энергию, они не смогут больше сохранять заключенную в них разумную «жизнь». Но и то сказать — что эта за «жизнь» внутри компьютера, да еще при том, что даже и высунуться наружу никогда невозможно?!

Должен, однако, успокоить — есть все-таки какой-то шанс, что наши дальние потомки еще увидят небо в алмазах. Во-первых, наука идет вперед семимильными шагами и завтра может открыть что-нибудь такое, из-за чего придется переписывать все сегодняшние сценарии. А во-вторых, даже если сценарий «ледяной смерти Вселенной» не сойдет с повестки дня, его реализация настолько далека — что ни говори, но угроза чего-то через сто тысяч миллиардов лет может вызвать лишь тонкую улыбку на лице человека, живущего от зарплаты к зарплате! — что человечество (в лице своих Крауссов и Штаркманов) вполне может позволить себе такую игру воображения, нисколько не участвуя в ней эмоционально.

Иное дело, когда тебе сообщают, как это сделал мичиганский профессор Фред Адамс на недавней конференции Американской ассоциации развития науки, что через какие-нибудь 7 миллиардов лет наше Солнце должно вспыхнуть, как сверхновая звезда, перед тем как сжаться до состояния белого карлика, и при этом безжалостно поглотить и сжечь (или сначала сжечь, а потом поглотить) и нашу Землю, и все прочие планеты. Вот тут поневоле заволнуешься. И уж совсем выбивает простого человека из колеи, когда на той же конференции другой профессор, метеоролог Джеймс Кастинг, вдруг заявляет, что гораздо раньше этого, уже через какой-нибудь миллиард лет, даже через полмиллиарда, Солнце станет таким горячим, что все наши океаны испарятся до последней капли и Земля станет безводной пустыней. Вот это уже кого угодно взволнует. Это же совсем другое дело. Всего полмиллиарда лет, это ж почти что завтра, а у нас еще дела не доделаны и корова не доена, и боже ж ты наш зеленоглазый, за что?!

Рафаил Нудельман

ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
Недорого купить справку об обучении для ваших нужд.На хороших условиях итальянская плитка с большими скидками.
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005