Нереальная реальность – 3. Книга третья. Будущее

Андрей Владимирович Кананин

«Нереальная реальность» – фундаментальный научно-публицистический труд. В третьей, заключительной части книги – «Будущее» – А. Кананин делится научным прогнозом о долгосрочных перспективах человеческой цивилизации, возможных этапах колонизации космоса и достижении индивидуального бессмертия. Также в нескольких главах в увлекательной форме исследуется вопрос о дальнейшей судьбе нашей Вселенной с точки зрения физики и космологии.

Глава 6. Судьба Вселенной

Общая продолжительность жизни на Земле, в том числе разумной, напрямую зависит от Солнца. С гибелью материнской звезды всё живое исчезнет на голубой планете.

Какое будущее ожидает Солнце? В свете вышесказанного это не просто любопытство.

Современный возраст нашей звезды составляет около 4.5 млрд. лет. В её центре температура достигает 16 млн. °C и именно там происходят ядерные реакции преобразования водорода в гелий. Пока что в гелий превратилась примерно половина солнечного запаса водорода. Каждую секунду 4.3 млн. тонн материи на Солнце преобразуется в энергию.

Наша звезда будет светить ещё 6 млрд. лет. Однако, уже через 2 млрд. лет водород в солнечном ядре практически закончится, и оно начнёт сжиматься. Температура возрастёт и станет достаточной для начала термоядерной реакции гелия и горения водорода в оболочке ядра, но недостаточной для преобразования гелия в более тяжёлые элементы.

Ядро потеряет источник энергии и больше не сможет удержать вес солнечной поверхности. Давление в центре Солнца начнёт увеличиваться, а температура расти. Звезда станет расширяться в красный гигант, за счёт избыточной энергии, выработанной вблизи ядра.

Этот этап жизни Солнца пройдёт относительно быстро. На пике фазы красного гиганта звезда будет в две тысячи раз ярче, чем сейчас.

Солнце невероятно разбухнет, практически до орбиты Земли, и поглотит Меркурий и Венеру. Оно станет ярче, больше, но холоднее, чем сейчас. Тогда жизнь на нашей планете безвозвратно исчезнет.

Все океаны выкипят, атмосфера улетучится, на поверхности станет нестерпимо жарко. Земля будет отброшена примерно на орбиту Марса, потому что из-за испарения звезды, уменьшится сила её гравитационного притяжения.

Когда в центре красного гиганта опять станет достаточно жарко, в ядре вновь начнётся цепочка термоядерных реакций. Гелий станет преобразовываться в углерод.

Этот процесс очень чувствителен к температуре. При дальнейшем её повышении произойдёт колоссальный выброс энергии — гелиевая вспышка.

После возгорания гелия, размер звезды начнёт уменьшаться, а температура увеличиваться. Начнется новая устойчивая эпоха жизни Солнца.

Через миллиард лет после исчерпания водорода, наша звезда превратится в белый карлик, чей размер будет примерно равен размеру Земли. Но его плотность будет огромной, в столь малом объёме будет содержаться вещество, масса которого составит половину современной массы Солнца.

Разумеется, жить в окрестностях такого «светила» невозможно.

Уверен, что в те дальние времена наши потомки достигнут достаточного технологического уровня, чтобы покинуть окрестности колыбели разума и найти новый дом в бескрайних просторах космоса. Но это не кардинальное решение задачи.

Проблема в том, что будущее всей нашей Вселенной также может быть катастрофическим. Происходящие в ней объективные процессы как будто противодействуют гармонии и самой жизни. Всё стремится к хаосу и пустоте небытия.

Радует, что в ближайшие 20 млрд. лет Вселенная практически не изменится. У разумной жизни достаточно времени, чтобы детально разобраться во всех сценариях возможной эволюции Космоса. А, может быть, и повлиять на неё.

Судьба планет, вращающихся вокруг звёзд типа Солнца, трагична. Через несколько миллиардов лет многие из них сгорят в пламени раздувшихся красных гигантов, а выжившие будут выброшены из своих систем в межзвёздное пространство.

Через 150 млрд. лет Млечный Путь останется практически единственным звёздным скоплением в «нашей» части космоса. При помощи астрономических инструментов можно будет наблюдать лишь тусклый свет нескольких тысяч близлежащих галактик, ещё спустя некоторое время их число сократится до 36. Остальные «сегодняшние» 100 миллиардов галактик «исчезнут» за пределы видимого нами горизонта Вселенной.

Космос станет весьма пустынным местом. Забавно, но астрофизики будущего вряд ли поймут, что Вселенная расширяется. Местная группа из 36 галактик не будет «разбегаться», потому что внутри неё более мощной окажется сила притяжения — гравитация. Со стороны эта Вселенная будет казаться стационарной и вечной. Но это лишь видимость.

А что произойдёт в будущем, удалённом от нас даже по космологическим меркам?

Для ответа на этот вопрос, нужно понимать, что судьба Вселенной принципиально зависит от средней плотности материи в ней.

Если она больше критической, то расширение галактик будет постепенно замедляться, затем вообще остановится и сменится всё более ускоряющимся сжатием.

Звёзды станут сходиться всё ближе. В конце концов они образуют сверхплотный горячий огненный шар, как в ранней Вселенной.

В процессе сжатия будет безвозвратно разрушена вся материя: галактики, звёзды, планеты и все химические элементы. Фаза сжатия и нагрева неизбежно вернёт наш мир к исходной точке сингулярности.

Итак, если силы гравитации возобладают над силами расширения, произойдёт неизбежный коллапс Вселенной, который будет происходить по такому сценарию.

Сжатие начнётся примерно через 50 млрд. лет, считая от наших дней. К тому времени космос остынет до 1.4 градусов Кельвина, размер Вселенной будет примерно в два раза больше теперешнего.

Через 20 млрд. лет после начала сжатия, Вселенная вернётся к современному состоянию. Только все, окружающие Млечный Путь галактики, станут не удаляться, а приближаться к нему.

Типичный наблюдатель на условной Земле не заметит никаких катастрофических изменений до тех пор, пока будущая Вселенная не станет размером в 20% от существующей. В эту эпоху начнётся слияние скоплений галактик.

Через некоторое время Вселенная по сути станет одним гигантским сверхскоплением звёздных систем, однако, галактики всё ещё будут оставаться пространственно независимыми друг от друга. Однако, за достаточно короткий, с космологической точки зрения, промежуток времени все оставшиеся звёзды сольются в единую гигантскую галактику. Вселенная станет в сто раз меньше, чем сейчас.

Температура фонового космического излучения достигнет 0° C. До глобальной катастрофы в этот момент останется всего 10 млн. лет.

Общее потепление космоса в последний раз вдохнёт жизнь в погибающий мир. В космосе будет очень тепло и комфортно. Не останется ледяных холодных планет. Везде будет жидкая вода и общие очень благоприятные условия для жизни. Последний расцвет закончится через 4 млн. лет.

Тогда температура космического фонового излучения повысится настолько, что жизнь сможет сохраниться лишь под поверхностью планет. Ночью станет ярче, чем днём.

Ещё через 3 млн. лет всё небо превратится в сплошное Солнце. В этот момент времени начнут разрушаться звёзды. Причём не из-за сжатия и взаимного столкновения, а как раз из-за возросшей температуры космического фонового излучения.

Дело в том, что изменится внутреннее строение звёзд. Их поверхности испаряться под давлением внешней высокой температуры. Это последний период, когда может уцелеть хоть какая-то подповерхностная жизнь.

Планеты начнут исчезать одновременно со звёздами. Учитывая разницу в их размерах, полное испарение планет произойдёт значительно раньше.

За 300 тыс. лет до Большого сжатия начнётся распад атомов на ядра и электроны. Плотность излучения превысит плотность вещества. До коллапса останется 10 тыс. лет.

За три минуты до катастрофы начнётся распад атомных ядер. Дольше всех будут «сопротивляться» наиболее прочные ядра железа. Но и они разрушатся за несколько секунд до конца. Останутся только свободные нейтроны и протоны. Наконец, они также распадутся на кварки. До момента Большого сжатия останется меньше секунды.

Законы физики перестанут действовать, фундаментальные взаимодействия объединятся, Вселенная сожмётся в точку сингулярности. Наш мир навсегда исчезнет.

Радует, что описанный сценарий — возможный, но наиболее маловероятный вариант эволюции Вселенной.

Современные научные данные говорят о том, что гравитация слишком слабая сила, чтобы остановить расширение галактик. Это означает, что плотность Вселенной меньше или почти равна известному в теории критическому значению. Следовательно, в космологической перспективе она будет расширяться, а не сжиматься.

И вот здесь принципиально важно другое знание — будет ли Вселенная расширяться вечно? И если будет, то как: всё быстрее и быстрее, либо наоборот с замедлением.

Ускоряющееся расширение Вселенной началось 5 млрд. лет назад. До этого времени оно замедлялось за счёт гравитационного сопротивления обычной и тёмной материи. Но как будет в будущем?

Мы совершенно ничего не знаем о свойствах тёмной энергии. Возможно, она неустойчива, следовательно, рано или поздно начнёт распадаться. Тогда Вселенная не будет вечно расширяться с ускорением.

Кроме того, мы до сих пор не уверены, распадаются ли протоны, из которых состоит всё обычное вещество. Время распада протона на более мелкие частицы в нашем понимании практически бесконечно. Современная физика предполагает, что он распадается на позитрон и нейтральный пион, который в дальнейшем распадается на фотоны. В любом случае, какой бы сценарий распада протона не сработал, в таком раскладе рано или поздно Вселенная полностью лишится привычной нам материи. Это будет совершенно другой мир.

Попробуем заглянуть в то сверхотдалённое будущее.

Через 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет.

В космосе останутся лишь очень тусклые звёзды. В ускоряющейся Вселенной все галактики, кроме нашего Сверхскопления, неизбежно удалятся за горизонт событий. Они станут невидимыми для нас навсегда, потому что их относительная скорость превысит скорость света. Это не противоречит теории относительности Эйнштейна, так как со всё возрастающей сверхсветовой скоростью будут удаляться не астрономические объекты, а расширяться само пространство.

За пределом горизонта событий невозможны никакие коммуникации. Наблюдатель в нашем Сверхскоплении галактик однажды обнаружит, что вся остальная Вселенная навечно исчезла вдали. Если, конечно, такой наблюдатель сохранится в какой-либо форме.

Мы знаем, что на конечном этапе своего существования звезда превращается в белый карлик. Энергия распадающихся внутри белого карлика протонов, пополняет его энергетические запасы. Но эта энергия мизерна.

Светимость белого карлика соответствует свечению нескольких электрических лампочек. Длина волны этого излучения равна нескольким сантиметрам. Глаз человека не способен уловить её. Будущая Вселенная будет очень тёмным миром.

Во внешнем уровне атмосферы белого карлика происходят очень интересные процессы. Этот поверхностный слой нагревается и всё время подпитывается энергией изнутри тлеющей звезды. Температура постоянная и составляет примерно 63 градуса Кельвина, то есть, как у жидкого азота. В атмосфере содержится много химических элементов, в том числе кислород и углерод. Следовательно, созданы все условия для химических реакций, есть стабильный и мощный источник энергии и огромное количество времени.

Возникновение в такой среде интересной химии очень вероятно. А в единственно известном нам примере, на Земле, интересная химия в итоге привела к биологической эволюции. Как бы фантастично это ни звучало, есть вполне обоснованные сценарии появления в будущем сложной жизни прямо внутри звёзд.

Свой жизненный цикл белый карлик завершает в виде ледяного шара из чистого водорода размером с астероид. Когда протоны окончательно распадутся, это приведёт к полному испарению звезды и превращению её в излучение.

Помимо белых карликов, часть вещества остывающей Вселенной будет сосредоточена в коричневых карликах. Их будет немного, однако примерно один раз в несколько сот миллиардов лет мёртвые звезды такого типа будут сталкиваться между собой. Некоторые из этих астрономических катастроф будущего могут привести к примечательным результатам.

При столкновении под прямым углом коричневые карлики образуют общий смешанный объект, который начнёт сжиматься и нагреваться, активизируя водородный синтез. В результате образуется новая маленькая красная звезда-долгожитель, которая может просуществовать триллионы лет. Например, в галактике, равной Млечному Пути, будет не менее ста таких звёзд.

Часть газа и пыли, оставшейся после столкновения коричневых карликов, может стать строительным материалом для планет. При этом по своему составу, эти планеты обладают всеми химическими элементами, достаточными для возникновения углеродной жизни. Подходящим будет и тёплый климат, достаточно стабильный в течение триллионов лет, что несоизмеримо больше по времени, чем понадобилось для зарождения жизни на Земле.

На многих из таких планет будет жидкая вода. Удивительно, но статистических шансов на появление разумной жизни в такой практически мёртвой Вселенной будет значительно больше, чем в современную эпоху. Причём в знакомой нам, белковой форме.

Более того, у гипотетических цивилизаций будущего будет огромный запас времени для решения проблемы энергетической смерти Вселенной, по сравнению с нами. А если современная жизнь уцелеет до той космологической эпохи, то сможет найти удобное пристанище в планетных системах маленьких красных звёзд.

Стоит сказать, что новые звёзды могут образоваться и после столкновений белых карликов. В результате возникнут весьма экзотические объекты.

Вместо привычного водорода внутри подобных звёзд будет происходить синтез гелия или даже углерода. Это будут чрезвычайно жаркие светила, в сотни и тысячи раз ярче Солнца. Однако, время их жизни явно недостаточно для появления сложной биологии на планетах-спутниках. Хотя, возможно, разовьются простейшие организмы типа бактерий. В дальнейшем они могут быть перенесены через панспермию в более благоприятную среду на подходящие спутники маленьких красных звёзд и там эволюционировать до более сложного уровня.

Иногда при столкновении белых карликов, будут взрываться сверхновые. Эти вспышки будут очень редко освещать будущий тёмный мир и продолжат по чуть-чуть насыщать его тяжёлыми элементами.

В случае распада протонов от звёзд и планет во Вселенной ничего не останется. Космос будет пронизывать излучение, состоящее из остатков протонов и нейтрино, а также небольшого числа электронов и позитронов. Наступит эпоха чёрных дыр.

Через 10 ¹⁰⁰ лет.

Эпоху распада успешно переживут самые загадочные объекты Вселенной — чёрные дыры. Всё предыдущее время они набирали массу, захватывая материю из окружающей среды. Поскольку даже свет не может преодолеть притяжение чёрной дыры, распад протона не окажет никакого влияния на эти объекты.

В начале эпохи чёрных дыр горизонт Вселенной будет находится в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз дальше, чем сейчас.

С учётом этого факта, общее число чёрных дыр будет невероятно велико: сверхмассивных — около 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000; звёздных — около 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Это число сопоставимо с общим числом протонов во всей современной Вселенной.

Но даже чёрные дыры не существуют вечно. Из них происходит утечка излучения. Со временем они полностью потеряют свою массу. Испарятся.

Этот квантово-механический процесс известен как излучение Хокинга, состоящее из протонов и нейтрино с небольшой долей гравитонов. Смысл в том, что на протяжении колоссальных временных промежутков чёрная дыра очень медленно излучает тепло. Соответственно — теряет массу, потому что масса эквивалентна энергии.

Попробую объяснить суть происходящего.

В квантовой структуре пространства беспрерывно создаются пары частиц. Они живут очень короткий промежуток времени, а затем аннигилируют. Такие частицы называются виртуальными. Возле горизонта событий чёрной дыры действуют невероятно огромные приливные силы. Они способны мгновенно растащить возникшую из квантовой «пены» пару частиц так, чтобы те не успели аннигилировать. Одновременно приливные силы наделяют частицы энергией.

Превратившись из виртуальной в реальную, такая частица улетит в космос, унося с собой часть энергии чёрной дыры. Таким образом, в результате излучения Хокинга чёрная дыра испускает энергию и частицы. Несмотря на то, что процесс идет чудовищно медленно, рано или поздно чёрная дыра полностью испаряется.

Срок жизни чёрной дыры с массой Солнца составляет 10⁶⁵ лет. Чёрная дыра с массой галактического скопления полностью испарится за невообразимые 10¹⁰⁷ лет.

К тому моменту Вселенная станет очень пустынной территорией.

Типичное расстояние между соседними чёрными дырами составит10⁴³ световых лет. Представить себе такую дистанцию достаточно сложно.

Для сравнения, сегодня размер всей видимой Вселенной с миллиардами галактик составляет «всего» 100 000 000 000 световых лет. Как видим, в будущем расстояние между соседними чёрными дырами будет на 30 порядков больше.

По мере испарения массы чёрной дыры, увеличивается её температура. Наконец, она становится необычайно яркой и взрывается в ослепительной вспышке. Выделяется огромное количество энергии, главным образом, в виде гамма-лучей.

При взрыве чёрной дыры происходит выброс в пространство достаточного количества известных нам элементарных частиц, включая электроны, позитроны, протоны и антипротоны. Их реакции приводят к простым химическим процессам. В результате возможно образование микрообъектов из водородного льда.

Редкие, мощные всплески умирающих чёрных дыр будут разделены непостижимо огромными промежутками пространства и времени. Гибель во вспышке самой последней чёрной дыры ознаменует собой конец Вселенной в нашем понимании физических законов.

Хотя, есть интересные альтернативы.

В частности, любая чёрная дыра характеризуется всего двумя свойствами: массой и зарядом. Как я уже говорил, все чёрные дыры будущего будут взаимодействовать со Вселенной исключительно через излучение Хокинга.

Если чёрная дыра приобретёт суммарный электрический заряд, то она сможет избежать полного испарения. Закон сохранения заряда запрещает превращение всей массы электрически заряженного объекта в излучение. Такие экстремальные чёрные дыры могут жить вечно. Но их масса-энергия будет чрезвычайно мала и равна электростатической энергии, получаемой от её заряда.

Кроме того, есть сценарий, при котором не все чёрные дыры исчезнут навсегда. Это произойдет, если наша Вселенная в точности плоская. В таком случае чёрные дыры в будущем будут сливаться и набирать массу быстрее, чем испаряться, испуская излучение Хокинга. Тогда они будут действительно существовать вечно без каких-либо ограничений.

В свою очередь, плоская Вселенная также будет расширяться вечно. Однако, со временем, процесс расширения замедлится. Это позволит объектам обширных областей пространства взаимодействовать, вступая в гравитационную связь.

Сверхскопления мёртвых галактик начнут притягиваться друг к другу. Под воздействием гигантских гравитационных сил сверхмассивные чёрные дыры начнут сваливаться к центру, набирая огромную массу. В итоге скорость их слияния и структурообразования станет быстрее, чем скорость разрушения из-за излучения Хокинга.

А теперь я задам вопрос на грани науки и фантастики.

Возможно ли развитие сложных структур в мире чёрных дыр? Могут ли они взаимодействовать подобно взаимодействию частиц в нашем материальном мире?

В принципе, на базе любых связанных объектов можно создать простые аналоговые и цифровые схемы. То есть, некий прообраз вычислительных машин.

При условии практически бесконечного количества времени (в данном случае — это именно так), такие простые «компьютеры», наверное, могут развиться в какие-то формы жизни, а, возможно, и разума.

Конечно, очень сложно представить вычислительную систему, включающую в себя совокупность чёрных дыр. Но, теоретически, она возможна. А, при определённой конфигурации, способна к функционированию в режиме логики.

Известно, что базовые элементы компьютера предельно просты. Объединив их большое количество, можно создать невероятно сложную вычислительную машину.

Конечно, в том далёком будущем привычная нам материальная жизнь на углеродной основе невозможна в принципе из-за распада протона. Но, как знать, может быть жизнь настолько «живуча», что для её возникновения и эволюции вполне достаточно лишь наличия фундаментальной базовой структуры.

Конец ознакомительного фрагмента.