Методические материалы, статьи

Впишите в хронологии слово «вечность»!

Двухтысячный год, знаменуя собой смену века и тысячелетия, завораживая округлостью даты, одновременно вовлекает нас в цифровую западню. Создается невольное впечатление, что две тысячи лет — невероятная, неохватная длительность — весь отпущенный нашей естественной истории срок, время, прошедшее от нулевой отметки старта, до которой тянется нечто безграничное, уходящее в непроглядно смутную дымку прошлого, как и неясное, беспредельное, неизвестное будущее.

Но это не так — в смысле неизвестности. В очередной раз мы (точнее, мы благодаря ученым) подвели стрелки на вселенских часах, уточнив время ее существования. Как до нас (задолго до!), так и после (значительно после!). Таким образом, в третье тысячелетие мы вступаем, если хотите, с новым ощущением дыхания вечности. Казалось бы, что нам, переживающим мгновения, до этих миллиардолетий, до не умещающихся в голове нулей, до времен, дотянуться до которых возможно лишь мыслью? Наверное, в этом-то и разгадка завораживающей притягательности биографии окружающего нас мира — в нашей способности строить о нем представления, беспрестанно их пересматривать и не оставлять попыток оснастить себя все более мощными средствами его познания.

То, что мы узнаем сегодня о будущем Вселенной, заставляет задуматься и о будущем этих знаний — о тех, без кого они были бы невозможны, кому предстоит их приумножить и скорее всего вновь перекраивать. Поэтому комментарий к космически возвышенной теме номера парадоксально приземлен. Однако не будем забывать: до сих пор все, что позволяло нам приоткрывать завесу над заоблачными тайнами, было не божественным откровением, а делалось на Земле и землянами, в том числе и нашими земляками.

Помните: «Открылась бездна…»?

И как видений зыбкая основа,
Все башни гордые, дворцы, палаты,
Торжественные храмы, шар земной
Со всем, что есть на нем, все испарится.
Как бестелесные комедианты, даже
Следа не оставляя.
У. Шекспир, «Буря» (пер. М. Кузмина)

Прощание с замкнутой Вселенной

Наша Вселенная расширяется. Этот факт известен давно. Но будет ли так всегда? Еще недавно ученые верили, что судьба мироздания зависит от его плотности. Если она достаточно велика, то Вселенная постепенно замедлит свое расширение. Верх возьмут гравитационные силы.

В 1969 году британский астрофизик Мартин Рис описал эту «замкнутую Вселенную» в своих «Эсхатологических штудиях». Он пришел к выводу, что Вселенная прекратит расширяться уже через 50 миллиардов лет. Разлетавшиеся прежде галактики снова начнут сближаться и постепенно сольются. Во время этого «термозвездного синтеза» наши небеса разогреются так сильно, что вся твердь расплавится. Произойдет грандиозный взрыв, и вся материя снова сожмется воедино. «Как бы глубоко мы ни зарылись в землю, чтобы защититься от космического пламени, нас это не спасет; мы лишь отсрочим наш жалкий конец всего на несколько миллионов лет» — писал потрясенный Фриман Дайсон, американский коллега Мартина Риса.

Того же мнения придерживался и еще один британский ученый — Стивен Хоукинг. Пространство прейдет, поток времени все победит и избудет, писал этот пророк от современной физики на страницах своей книги «Краткая история времени», и книга эта стала бестселлером. Итак, вслед за эпохой расширения пространства, которая началась сразу после Большого Взрыва и продлится многие миллиарды лет, Вселенная снова станет сжиматься. Теория относительности оставляет нам лишь две перспективы, равно безутешные. Либо все пространство, время и материя скроются в недрах черных дыр, либо Вселенная, будто обращая сценарий Большого Взрыва, сожмется и исчезнет, уничтоженная «Последним Взрывом» (Хоукинг). Или, если хотите, погубленная «Судным взрывом» — так назовем это событие, вспоминая откровения древней эсхатологии («И тогда небеса с шумом прейдут, стихии же, разгоревшись, разрушатся, земля и все дела на ней сгорят» [2 Пет. 3, 10]). Или же, приноравливаясь к мрачному юмору Томаса С.Элиота, окрестим его «Большим Взвизгом» («Так кончается мир — не взрывом, а взвизгом»).

Суд, взрыв, взвизг. Конец? Однако до сих пор астрономы не могли свести дебет и кредит. Масса Вселенной оказалась в три раза меньше, чем нужно для того, чтобы в конце времен ее испепелил огненный смерч. Такой глобальный дефицит воодушевил сторонников другой теории — теории «открытой Вселенной», — считавших, что наш мир будет неудержимо расширяться (к числу ее адептов принадлежал, кстати, Ф. Дайсон). «Почему мы обязаны полагать, что Вселенную ждет вечный покой? Нет, жизненные и материальные процессы могут длиться вечно» — писал он в своей книге «Время без конца», вышедшей в 1979 году. На ее страницах он рисует картину бесконечного космоса, переживающего один эон за другим (эон — совокупность нескольких геологических эр. — А.В.).

Новое поколение астрономов выбирает сверхновые звезды

Последние астрономические открытия блестяще подтвердили теорию «открытой Вселенной». Стивен Хоукинг обманывался, равно как и все пророки мира, возвещавшие его конец и сдергивавшие звезды, планеты, светила как декорации в надоевшей игре. Около года назад на страницы научно-популярных журналов стали просачиваться сведения, «словно выворачивавшие наизнанку» теорию Хоукинга.

Астрофизики выяснили судьбу Вселенной, наблюдая за сверхновыми звездами определенного типа -1а. Это — белые карлики, поглощающие материю соседних с ними звезд до тех пор, пока не следует коллапс. Светимость таких сверхновых всегда одинакова, где бы они ни находились. Поэтому они являются надежным «мерилом» космического пространства. По их видимой яркости можно судить, насколько удалены эти звезды. Наблюдая за ними на протяжении ряда лет, можно оценить, с какой скоростью удаляются от нас галактики, которым принадлежат эти сверхновые звезды.

За ними охотились сразу две группы ученых. Астрофизики из американской Lawrence Berkeley National Laboratory (руководил ими Сол Перлматтер) начали наблюдать за этими сверхновыми еще в 1988 году. Спустя семь лет аналогичным проектом занялись сотрудники Australian National Observatory во главе с Брайаном Шмидтом. В звездное небо всматривались полдюжины гигантских телескопов, разбросанных по всей планете — от Чили до Гавайских островов.

Сверхновые типа 1а встречаются очень редко. В крупных галактиках подобные звезды вспыхивают раз в 300 лет. Чтобы отыскать хоть одну из них, нужно обследовать множество галактик. И все же перечень взорвавшихся «белых карликов» насчитывает сейчас уже более ста звезд, причем большую часть их ученые наблюдают уже не первый год. Этого достаточно, чтобы сделать важнейшие выводы.

Как выяснилось, галактики столь стремительно удаляются друг от друга, что никакая сила гравитации не заставит их повернуть назад. Материя никогда не сожмется воедино. Для этого ее плотность слишком мала. Наша Вселенная возникла 15 миллиардов лет назад в пламени Большого Взрыва и будет расширяться вечно. Она напоминает огромный шар, повисший посреди Пустоты. Шар этот стремительно пухнет, раздувается. Скорость, с которой он увеличивается в объеме, в последние миллиарды лет все возрастает. Итак, сторонники «открытой Вселенной» правы. Только их модель соответствует эмпирическим данным.

Это открытие уже успели признать вехой в истории исследования Вселенной. В середине декабря 1998 года влиятельный научно-популярный журнал «Science» назвал «сенсационные результаты измерений» самым значительным открытием года.

Похвала (величайшей) глупости

Итак, наша Вселенная расширяется все быстрее. Возникает ощущение, что где-то внутри нее спрятан таинственный двигатель, ускоряющий ее движение. Что же это за сила, что вечно торопит нашу Вселенную?

Еще Альберт Эйнштейн размышлял о том, что, очевидно, существует энергия, которая в любом уголке Вселенной воздействует на пространство. Согласно его доктрине, гравитационные поля, создаваемые материей, искажают пространство и замедляют время. В 1917 году Эйнштейн попытался с помощью математического уравнения описать Универсум.

Однако в своих расчетах великий «пророк от физики» все время наталкивался на примечательный феномен. Как он ни манипулировал уравнениями, из них следовало, что пространство либо необратимо сжималось, либо безудержно расширялось. Итак, Вселенная не могла находиться в покое. Это казалось загадкой. В ту пору никто не подозревал, что мерцающие спиралевидные туманности, то здесь, то там видимые на небосводе, — это далекие галактики, мчащиеся от нас с огромной скоростью.

Тогда Эйнштейн прибег к хитрости. Стремясь получить формулу стационарной Вселенной, он преобразовал уравнение, добавив в него дополнительный член, удерживавший мироздание в равновесии, то есть сводивший на нет действие гравитационных сил. Он окрестил эту пресловутую величину «космологической константой», обозначив ее греческой буквой «лямбда». Но обосновать ее появление так и не сумел.

Впрочем, роль этой константы не следовало преувеличивать. Вселенная, тщательно выстроенная Эйнштейном, оказалась на редкость нестабильной. Ничтожная причина могла спровоцировать ее коллапс или вечное расширение. Это показали расчеты, проделанные советским математиком Александром Фридманом, нидерландским астрономом Виллемом де Ситтером, бельгийским астрономом и священником Жоржем Леметром. Очевидно, теория относительности не допускает самого существования стационарной Вселенной.

Однако какое-то время все эти работы оставались умозрительной забавой. Найденные решения еще нельзя было проверить с помощью астрономических наблюдений. Лишь в 1929 году американский астроном Эдвин П. Хаббл открыл, что галактики удаляются от нас и скорость их разлета тем выше, чем дальше от нас они пребывают. Итак, Вселенная на самом деле расширяется. Что же было делать с космологической константой, изобретенной на кончике пера? Она была наивной, неуместной припиской, правившей баланс мироздания в пользу науки. И тогда Эйнштейн назвал ее «величайшей глупостью», сделанной им в жизни. С тех пор большинство космологов в своих расчетах полагали, что значение этой константы равно нулю.

Последние астрономические открытия все переменили. Теперь космологическая константа вновь обрела права на существование. Она имеет положительное значение. И это — самая настоящая научная сенсация. Из гипотетического довеска, добавленного в уравнение по ошибочным посылкам, она внезапно превратилась в физическую реальность. Эта константа описывает силу, которая во время расширения Универсума все время противодействует мощным гравитационным силам, стремящимся сжать его, то есть силам взаимного притяжения звезд и галактик. Поэтому мы вправе назвать данную константу «антигравитацией». Она выражает силу отталкивания, порожденную остаточной энергией Большого Взрыва, аккумулированной в пустоте. Или, говоря проще, антигравитация — это энергия, присущая вакууму. Ее действие проявляется на огромных, воистину космических расстояниях, и механизм этот науке пока непонятен.

У теоретиков есть лишь веские основания полагать, а у нас — удивляться их резонам. Ибо в великую космическую игру, расставляющую галактики и звезды по своим местам, властно вмешивается вакуум. Именно он распирает пространство, расширяет его. Результаты последних наблюдений показывают, что почти три четверти всей суммарной энергии Вселенной приходится на долю этой таинственной силы, возникающей буквально из ничего. И лишь жалкая часть энергии достается всей материи, рассеянной во Вселенной: будь то видимой или невидимой.

Вакуум — то есть пустота, простирающаяся между галактиками, — имманентно наделен энергией, побуждающей его завоевывать все новые области существования, порождать все новые участки пространства, словно бы выталкивая его из той формы, в которую оно заключено. Подобным образом кипяток, вырываясь из той формы, в которую он заключен, из чайника, выталкивает его крышку, невольно расширяя пространство чайника. Или еще один риторический образ: природа не терпит пустоты, но изгоняемая ею пустота порождает природу.

Подобные метафоры способны лишь увлечь, но никак не объяснить суть феномена. Космологи, маскируя риторическими приемами облик непознанного, пытаются поселить в создаваемой ими картине мироздания «нечто, что лежит выше их доводов и резонов», — реальное явление, объяснить которое конкретными причинами они пока не в состоянии и потому — в зависимости от своего темперамента — прибегают к тем или иным ухищрениям, чтобы совместить неизвестное и известное, вплести в традиционные схемы Вселенной «то, не знаю что».

Данный факт — открытие антигравитации — позволил космологам разрешить одну из величайших загадок мироздания. Многие поколения людей хотели понять, что станет с нашей Вселенной? Что ее ждет — гибель? вечный круговорот? или вечная эволюция? Теперь судьба Вселенной известна ученым. Они провидят ее будущее. Странная константа, порожденная чудачеством Эйнштейна, превращается в божественный рок и определяет дальнейшие метаморфозы мироздания. «Величайшая глупость» становится величайшей научной истиной.

Эта странная константа все стремительнее раздувает наш космический шар, все больше и больше его распучивает. Так будет продолжаться нескончаемо долго. Постепенно Вселенная станет все темнее и пустыннее, погаснут и исчезнут звезды, в пыль превратятся галактики. Сосуд, заключавший мироздание, опустеет, но никуда не денется. Вселенная — этот огромный сосуд, в котором мы помещены, — никогда не прекратит своего существования. Пространство и время вечны. Конец Вселенной никогда не наступит. Вот только уцелеет ли жизнь на перекрестье бесконечных пространства и времени?

Время сжигать галактики

Итак, всего за год наука перечеркнула еще недавно привычные и общепринятые картины вселенской катастрофы, картины «всемирного конца света». Но вечность Вселенной отнюдь не означает вечности наполняющих ее творений.

Вселенную ожидает отнюдь не коллапс, нет, она по-прежнему будет расширяться — из века в век, из эры в эру, из эона в эон, и процесс этот будет все убыстряться. Вселенную можно сравнить со взорвавшимся котлом: некое неимоверное давление распирает ее и разбрасывает ее обломки — звезды, планеты, галактики — во все стороны. Вот только обломки котла, как бы ни велика была сила, разметавшая их, вскорости падут наземь, а части Вселенной будут разлетаться вечно, и давление, их разметавшее, никогда не ослабнет.

В своей работе «Умирающая Вселенная» американские космологи Фред Адамс из Мичиганского университета и Грегори Лофлин из Калифорнийского университета попробовали описать судьбу вечно расширяющегося мироздания. По их мнению, нашей Вселенной суждено пережить шесть эпох.

Первая из них длилась буквально одно мгновение: 10-32 секунды. За этот миг Вселенная успела возникнуть в пламени Большого Взрыва и стремительно разрастись. Эту долю секунды называют «эпохой инфляции» (от латинского «inflatio» — раздувание).

Затем наступила «эпоха излучения». В ту пору Вселенная была заполнена густой, раскаленной смесью протонов и электронов. Постепенно эта смесь остыла до 3000 градусов по Цельсию, а бурлившие в ней элементарные частицы соединились в атомы. Вселенная стала прозрачна. Свет залил ее. Длилась эта эпоха почти 300 тысяч лет.

Прошло еще несколько миллионов лет. Из равномерного рассеянного газообразного вещества сформировались звезды, галактики и даже целые скопления галактик. Сегодня мы живем в середине так называемой эпохи звезд — третьей по счету эры, переживаемой нашим мирозданием. Солнце светит вот уже четыре с половиной миллиарда лет и будет светить еще столько же. Потом запасы его топлива иссякнут. Зато диаметр Солнца резко возрастет. Оно превратится в красного гиганта. На нашей планете все будет выжжено дотла. Исчезнут все следы жизни и цивилизации.

Через триллионы лет та же катастрофа повторится, но уже в глобальном масштабе. Скопления галактик распадутся, образуя громадные аморфные сгустки материи. В конце концов, останутся лишь такие долгоживущие объекты, как красные карлики. Все остальные звезды взорвутся, превратившись в сверхновые звезды, или же погаснут, став белыми карликами. Именно это и суждено нашему Солнцу: из красного гиганта оно превратится в карлика, мрачно повисшего среди испепеленных им же планет. Со временем его температура опустится ниже точки замерзания. Солнце перейдет в категорию крохотных звезд, которые именуют черными карликами. Что же касается красных карликов, то даже в самом конце своего существования они будут излучать свет так же ярко, как излучает его сейчас Солнце. Именно в окрестностях красных карликов могут сохраниться последние островки жизни в нашей Вселенной. Впрочем, по прошествии ста триллионов лет «сгорят» последние звезды. Их эпоха прекратится.

Долгая спираль смерти

Начнется «эпоха распада». Вселенная будет пуста и холодна. Бессчетные поколения звезд исчерпают все запасы своего топлива — водорода и гелия. Исключения составят лишь коричневые карлики, чья масса была слишком мала, чтобы поддерживать термоядерную реакцию в звездной «топке». Они-то свое топливо сохранят, и потому при случайном слиянии двух звезд подобного типа образуется красный карлик. Впрочем, событие это будет очень редким. За весь огромный период времени — начиная с 1014 и заканчивая 1020 годами — в любом из шаровых звездных скоплений размером в нашу Галактику образуется всего-навсего от десяти до ста новых звезд. Кроме того, раз в триллион лет два столкнувшихся белых карлика будут порождать сверхновую звезду. Среди почти беспросветного мрака, что окутает нашу Вселенную, вспышка сверхновой звезды станет на редкость красочным событием.

В ту же эпоху плотность материи снизится так сильно, что распадутся галактики. Одни погасшие звезды, случайно сближаясь, будут сливаться друг с другом. Другие от соударений вылетят далеко за положенные им пределы и затеряются в межгалактическом пространстве. Все прочие глыбы, бывшие некогда звездами, провалятся в черные дыры, что образуются в центре прежних галактик. В этой кромешной тьме канет каждая десятая звезда.

Планеты, выжженные дотла, будут еще долго с монотонностью волчка кружиться возле своих звезд, но круги эти, постепенно сжимаясь, когда-нибудь ввергнут планеты в звездное чрево. По прошествии 1020 лет не останется и их, свершивших свой путь по «спирали смерти», как выразился астроном Пол Дэвис из Аделаидского университета (Австралия).

«Перепутье»: первый сценарий

После этой эпохи наше мироздание «окажется на перепутье». По одним теориям, описывающим судьбу Вселенной, протоны — основные элементы атомных ядер — со временем утратят стабильность и по прошествии 1033 — 1041 лет распадутся. Если это так, то вся материя превратится в электроны, позитроны, пи-мезоны, нейтрино и гамма-излучение. «Эпоха распада» окончится, облик нашей Вселенной радикально изменится.

Теперь единственными массивными образованиями в ней останутся черные дыры. Начнется их эпоха. Одни из них станут сродни крохотным кляксам, расплесканным во Вселенной. Другие окажутся огромными безднами, ненасытно истребляющими мироздание. Их масса будет во много миллионов раз больше массы Солнца. Но и они не вечны. Они тоже теряют свое содержимое. Что ж, «черные дыры не так черны» — писал Стивен Хоукинг на страницах книги «Краткая история времени». За счет квантовых эффектов они испарятся, превратившись в так называемое излучение Хоукинга. Сжавшись до размеров атома, черные дыры исчезнут из нашей Вселенной, выдав напоследок вспышку лучистой энергии. Последние из них, некогда обретавшиеся посредине галактик, рассеются, словно морок, по прошествии 10100 лет. Лишь резкий отсверк гамма-лучей станет «эпитафией миллиардам почивших звезд, галактик и черных дыр» — отмечает Пол Дэвис.

Итак, во Вселенной не останется даже мало-мальски заметных скоплений материи. Исчезнут все 1048 тонн материи, заполняющей наше мироздание сегодня. Лишь пары из позитронов и электронов будут кружиться по своим орбитам, чей радиус, возможно, окажется больше размеров всей нашей теперешней Вселенной. Это и немудрено: к тому времени размеры мироздания увеличатся в 1040 раз.

Сия электронно-позитронная идиллия продлится 10116 лет, но и ей положен предел. Вселенная, скатываясь вниз по вечной лестнице времени, теряет последние капли своего содержимого, словно отброшенный кем-то сосуд, кем-то великим и непостижимым. Но сам сосуд, повторимся, вечен! Нам же пришла пора попрощаться с этими электронами и позитронами, устроившими круговерть вселенских масштабов. Со временем, ибо оно отпущено им с лихвой, частицы, составившие эти пары, будут сталкиваться друг с другом и аннигилировать. По прошествии означенного срока исчезнут и электронно-позитронные пары.

Что же останется, когда не останется даже элементарных частиц? Во Вселенной пребудут еще кванты света — фотоны, но длина их волны увеличится до неимоверной цифры. Сохранится также и некоторое количество нейтрино. Эту эпоху исследователи окрестили «вечной тьмой». Провидеть дальнейший ход событий не берутся и они. Остается лишь задаться вопросом: не превратится ли Вселенная в конце концов в ту самую Пустоту, которая порождает новые вселенные?

«Перепутье»: второй сценарий («Пусто, пусто, пусто»)

Мы же вернемся на наше «перепутье мироздания». Мы предположили гибель протонов и с их исчезновением, пережив зоны аннигиляции, погрузились в вечную тьму. Посмотрим же и другой сценарий. Что если протоны окажутся стабильными? Почему бы и нет? До сих пор науке не известен ни один случай распада протонов. Если крепость их и впрямь незыблема, то судьба мироздания окажется совершенно иной. Погаснут последние вспышки аннигилировавших черных дыр, но еще долго после этого события по Вселенной будут носиться оледенелые остовы звезд и планет. Пройдут зоны времени, пока их атомы вследствие реакций распада или холодных термоядерных реакций не превратятся в железо — элемент с самой благоприятной конфигурацией энергии.

По оценке Ф. Дайсона, через 101500 лет все звезды, эти некогда ярко-огненные, раскаленные небесные тела, превратятся в ледяные шары, отлитые из безупречно гладкого металла.

Однако Вселенная все еще не достигла самого низкого и, значит, самого стабильного энергетического уровня. Железные шары, бороздящие космическое пространство, по-прежнему будут излучать какое-то количество энергии. Со временем они уменьшатся в размерах и превратятся в нейтронные звезды или черные дыры. Пройдет 1010_26 лет, и самые крупные железные звезды породят черные дыры. Более мелкие звезды, те, чья масса в три с лишним раза меньше массы нашего Солнца, взорвутся, образуя нейтронные звезды. На все это у них уйдет 1010_76 лет, срок, который даже помыслить трудно. Но пройдет и он. Вечность переборет все, хотя, как печально заметил Дж. Джойс, «к концу всех этих биллионов и триллионов лет вечность едва начнется». Между тем исчезнут последние железные шары, сновавшие по просторам нашего Универсума. Все пространство заполонит космическая пыль. Под действием силы тяжести отдельные пылинки время от времени будут сливаться друг с другом. Эти сгустки, коллапсируя, вновь превратятся в черные дыры, которые вслед за тем снова аннигилируют. Вселенная, как заезженная пластинка, будет какое-то время наигрывать одну и ту же мелодийку: сгущение, коллапс, аннигиляция, сгущение, коллапс, аннигиляция… Но когда-нибудь уничтожатся и эти остатки материи.

К тому времени вся жизнь во Вселенной, «свершив печальный круг, угаснет». В череде взрывов и вспышек, методично перемалывающих все содержимое вселенского сосуда, не найдется места ни для звезд, ни для планет, ни для людей. Нам останется лишь порадоваться за Вселенную (ведь сама-то она уцелеет!) и заключить нашу «хронологию» словами о том, что настоящих трудностей мы еще и не видывали.

Что впереди? «Холодно, холодно, холодно. Пусто, пусто, пусто. Страшно, страшно, страшно». И течет бесконечное Время.

Александр Волков



См. также:
Обзор выигрышных слотов
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)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005