Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

к оглавлениюоднако, вступающая в игру выше гигантских расстояний и на временах, больших сегодняшнего возраста вселенной. Это возможно и подробно рассматривалось. Но это затрудняет любое предсказание на базе сегодняшнего знания. Также в запасе не должно быть других сюрпризов, таких как стенки космических пузырей, приходящие к нам со скоростью света из-за пределов нашего нынешнего горизонта.

Предположив, что хорошо установленные законы и явления это все, что имеет место, мы можем надежно вывести следующее:

В конечном счете галактики прекратят делать звезды . Галактики есть гигантские системы по превращению водорода в звезды. Они не очень результативны; типичная спиральная галактика создает примерно одну звезду в год. После почти 14 миллиардов лет большая часть вселенной все еще представляет собой изначальный водород и гелий. Пока что одного водорода настолько много, что, по самой меньшей мере, должно существовать только конечное число звезд. Только если весь водород в конце концов переработается в звезды, будет сделана последняя звезда. И это только предел сверху; более вероятно, что неравновесные процессы, которые управляют формированием звезд, будут затихать задолго до того, как весь водород будет переделан в звезды.

Последние звезды выгорят . У звезд конечное время жизни. Массивные звезды живут несколько миллионов лет и умирают драматически в виде сверхновых. Большинство живут многие миллиарды лет и в конце выдыхаются в виде белых карликов. Но будет время, когда последняя звезда уже умрет.

Что тогда?

Раз последняя звезда умерла, вселенная заполнена материей, темной материей, излучением и темной энергией. Что происходит со вселенной в длительной перспективе зависит, главным образом, от компоненты, о которой мы знаем меньше всего: темной энергии.

Темная энергия это энергия, связанная с пустым пространством. Она была обнаружена, чтобы компенсировать около 73 процентов массы-энергии вселенной. Ее природа на сегодня неизвестна, но наблюдается ее влияние на движение удаленных галактик. В особенности, темная энергия способствовала объяснению недавно открытого ускорения всеобщего расширения.

Отдельно от этого мы о ней ничего не знаем. Она могла бы быть просто космологической константой или она могла бы быть некоторой экзотической формой энергии с постоянной плотностью. Хотя плотность темной энергии оказывается

к оглавлениюприблизительно константой, мы не знаем, так ли это на самом деле или она просто изменяется более медленно, чем фиксируют наблюдения в настоящее время. Будущее вселенной будет очень разным в зависимости от того, останется ли темная энергия константой или нет.

Рассмотрим сначала сценарий, в котором темная энергия сохраняет свою плотность, когда вселенная расширяется. Если ее плотность постоянна, она ведет себя просто как космологическая константа Эйнштейна. Она не уменьшается по мере того, как вселенная продолжает расширяться. Все остальное - все вещество и все излучение - рассеивается по мере расширения вселенной, а плотность полной энергии от указанных источников монотонно убывает. После нескольких десятков миллиардов лет можно будет пренебречь всем, за исключением плотности энергии, связанной с космологической константой.

Поскольку это такой простой случай, у нас есть довольно хорошая идея о том, что произойдет. Следствием экспоненциального расширения будет, что скопления галактик разделятся настолько быстро, что вскоре они будут не видны друг для друга. Фотоны, покидающие одно скопление и двигающиеся со скоростью света, не перемещаются достаточно быстро, чтобы быть захваченными другими скоплениями. Наблюдатели в каждом скоплении будут окружены горизонтом, за пределами которого исчезли их соседи. Каждое скопление станет изолированной системой. Так что внутренняя часть каждого горизонта будет разновидностью ящика, отграничивая подсистему от остальной вселенной. Так что к каждой такой подсистеме будут применимы методы физики в ящике - что означает, мы можем при рассуждении о ней использовать методы термодинамики.

В этот момент в данной истории включается новый эффект квантовой механики, приводящий к заполнению внутренней части каждого горизонта газом фотонов в тепловом равновесии - разновидностью тумана, созданного процессами, аналогичными процессам, которые создают излучение черных дыр Хокинга. Этот газ называется излучением горизонта . Его температура экстремально низкая, и такова же его плотность, но они остаются постоянными в процессе расширения вселенной. Тем временем все остальное, включая вещество и КМФ, становится все более и более разреженным, так что после прохождения достаточного времени вселенную будет заполнять только излучение горизонта. Вселенная пришла к равновесию.

Это состояние равновесия сохранится навсегда. Нельзя избежать концовку как в вечной вселенной Больцмана. Будут, конечно, флуктуации и возвраты к прежнему, и иногда та или иная конфигурация

к оглавлениювселенной будет происходить вновь - включая то, что относится к парадоксу мозга Больцмана, который я описывал в Главе 16как финал сведения к абсурду Ньютоновской парадигмы. В соответствии с этим сценарием очевидная сложность нашей вселенной до настоящего момента является только кратчайшей вспышкой перед тем, как вселенная успокоится в своем вечном равновесии.

Мы знаем с некоторой определенностью, что мы не являемся Больцмановскими мозгами, поскольку (как отмечалось в Главе 16) если бы мы таковыми были, мы, вероятно, не увидели бы гигантскую и упорядоченную вселенную вокруг нас. Тот факт, что мы не есть мозги Больцмана, означает, что этот сценарий для будущего нашей вселенной ошибочен. Принцип достаточного основания, действуя через своего заместителя, принцип идентичности неразличимых, также требует, чтобы этот сценарий был ошибочен. Вопрос в следующем: Как его избежать?

Простейший способ избежать вечно мертвую вселенную будет иметь место, если вселенная имеет достаточную плотность вещества, чтобы остановить расширение и вызвать коллапс. Вещество притягивает вещество гравитационно, и это замедляет расширение, так что если вещества достаточно, вселенная будет коллапсировать к финальной сингулярности. Или может быть, что квантовые эффекты остановят коллапс и заставят вселенную отскочить, развернув сжатие на расширение, приводящее к новой вселенной. Но сейчас не кажется, что вещества достаточно, чтобы развернуть расширение, не говоря уже о противодействии тенденции темной энергии это расширение ускорять.

Следующий простейший способ избежать бесконечного мертвого будущего имеется, если космологическая константа на самом деле не постоянна. Несмотря на то, что мы имеем подтверждение, что темная энергия - которая для всех намерений и целей есть космологическая константа - не меняется на масштабах сегодняшней эры вселенной, у нас нет доказательств, что она не будет изменяться в конце концов. Это изменение могло бы быть следствием более глубокого закона, одного из тех, что действуют столь медленно, что их действие проявляется ощутимо только на больших временных масштабах. Или изменение могло бы быть просто эффектом общей тенденции законов эволюционировать. На самом деле принцип отсутствия действия без взаимности предполагает, что космологическая константа должна быть подвержена влиянию со стороны вселенной, на которую указанная константа столь решительно действует.