Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Судьба внутренних планет будет зависеть от соотношения двух факторов: до каких размеров расширится Солнце и какую долю своей массы оно при этом сбросит. Второй вопрос важен потому, что, когда ядерный двигатель звезды работает на форсаже, множество частиц из внешнего ее слоя непрерывно выбрасывается в пространство. Снижение массы Солнца, в свою очередь, приводит к снижению его общего гравитационного притяжения, в результате чего планеты постепенно смещаются на более отдаленные орбиты. Будущее любой конкретной планеты зависит от того, сможет ли ее уходящая траектория обогнать распухающее Солнце.

Компьютерное моделирование, основанное на детальных моделях Солнца, показывает, что Меркурий проиграет эту гонку и, будучи проглочен вспучившимся Солнцем, быстро испарится. Марс, обращающийся вокруг Солнца на большем расстоянии, имеет фору и будет в безопасности. Венере, скорее всего, конец, но расчеты по некоторым моделям показывают, что распухающее Солнце может чуть-чуть не успеть; возможно, оно остановится, так и не дойдя до ее новой орбиты, тогда до Земли оно тоже не достанетб. Но даже если Земля уцелеет, условия здесь сильно изменятся. Температура на поверхности Земли подскочит до нескольких тысяч градусов; этого хватит, чтобы испарить океаны, сбросить атмосферу и залить поверхность расплавленной лавой. Неприятные условия, конечно, но гигантское красное Солнце, размазанное по небосводу, будет представлять собой феерическое зрелище. Однако практически наверняка этим зрелищем уже некому будет любоваться. Если наши потомки в этот период будут по-прежнему процветать (успешно избежав самоуничтожения, смертельно опасных патогенов, экологических катастроф, разрушительных астероидов и вторжения инопланетян, а также других потенциальных катастроф) и если у них будет намерение делать это и дальше, то им придется задолго до этого покинуть Землю в поисках более гостеприимного дома.

При продолжении процесса слияния ядер водорода, окружающих гелиевое ядро Солнца, дополнительный гелий, который будет при этом образовываться, полетит вниз, в результате чего ядро сожмется еще сильнее, а его температура подскочит еще выше. Более высокая температура, в свою очередь, еще ускорит процесс, повысив скорость водородного синтеза в окружающей ядро оболочке и усилив ураган гелия, бомбардирующий ядро; температура поднимется еще выше. Примерно через 5,5 млрд лет температура ядра наконец станет достаточно высокой, чтобы поддерживать ядерное горение гелия с образованием углерода и кислорода. После зрелищной, но короткой вспышки, отмечающей переход к гелиевому синтезу как основному источнику энергии, Солнце вновь съежится в размерах и перейдет в не столь исступленное состояние.

Однако новообретенная стабильность продлится относительно недолго. Примерно за 100 млн лет, как прежде более тяжелый гелий вытеснил легкий водород, еще более тяжелые углерод и кислород сделают то же с более легким гелием, заняв его место в ядре Солнца и вытеснив гелий в окружающие ядро слои. Ядерное горение новых составляющих ядра, углерода и кислорода, требует еще более высоких температур — минимум 600 млн градусов. Поскольку температура ядра окажется намного меньше этого значения, ядерный синтез опять остановится, направленная внутрь сила тяготения вновь станет доминирующей, Солнце сожмется, а температура ядра снова вырастет.

В предыдущей фазе этого цикла повышение температуры запустило процесс синтеза в водородной оболочке, окружающей спокойное гелиевое ядро. Теперь же повышение температуры запускает синтез в гелиевой оболочке, окружающей спокойное ядро из углерода и кислорода. Но в этом цикле температура в ядре никогда не достигнет значения, необходимого для запуска нового раунда ядерного синтеза. Масса Солнца слишком мала для очередного цикла сжатия с ростом температуры, который в более тяжелых звездах запустил бы синтез ядер углерода и кислорода с образованием еще более тяжелых и более сложных ядер. Вместо этого при горении гелиевой оболочки с бомбардировкой ядра свежеобразованными углеродом и кислородом ядро продолжит сжиматься до тех пор, пока квантовый эффект, известный как принцип запрета Паули, не остановит схлопывание7.

В 1925 г. австрийский физик Вольфганг Паули — пионер квантовой теории, известный своей язвительностью («Меня не беспокоит, что вы медленно думаете; меня беспокоит, что вы публикуетесь быстрее, чем думаете»8), — понял, что квантовая механика устанавливает предел тесноте сближения двух электронов (точнее, квантовая механика исключает нахождение любых двух идентичных материальных частиц в одинаковом квантовом состоянии, но нам достаточно и приближенного описания). Вскоре после этого коллективный разум множества исследователей показал, что полученный Паули результат, несмотря на то что речь в нем шла исключительно о крохотных частицах, является ключевым для понимания судьбы Солнца, как и судьбы всех звезд аналогичного размера. По мере сжатия Солнца электроны в ядре будут все больше сближаться — и рано или поздно их концентрация там достигнет предела, обозначенного результатом Паули. Когда дальнейшее сжатие попытается нарушить принцип Паули, в дело вступит мощное квантовое отталкивание: электроны будут стоять на своем, они потребуют себе личного пространства и откажутся сближаться еще сильнее. Сжатие Солнца прекратится9.

Внешние, далекие от ядра оболочки Солнца будут и дальше расширяться и остывать — и в конечном итоге уплывут в пространство, оставив на месте Солнца поразительно плотный шар из углерода и кислорода, называемый белым карликом, который будет светиться еще несколько миллиардов лет. Поскольку температура, необходимая для дальнейшего ядерного синтеза, достигнута не будет, тепловая энергия медленно рассеется в пространстве, подобно последнему теплу угасающего уголька в костре; остаток Солнца остынет и потухнет, превратившись в конечном итоге в темный замерзший шар. Чуть выше 10-го этажа наше Солнце окончательно потухнет.

Это спокойный и мирный конец. Особенно в сравнении с катастрофическим финалом, ожидающим, возможно, всю Вселенную, когда мы продолжим подъем на следующий этаж.

Подбросьте вверх яблоко, и неумолимая тяга земной гравитации позаботится о том, чтобы его скорость постепенно снизилась. Это простое упражнение несет в себе глубокий космологический смысл.

Еще со времен наблюдений Эдвина Хаббла в 1920-х гг. нам известно, что пространство расширяется: галактики стремительно убегают друг от друга10. Но, как и в случае с подброшенным яблоком, гравитационное влияние каждой галактики на все остальные должно, безусловно, замедлять это космическое разбегание. Пространство расширяется, но скорость расширения должна по идее уменьшаться. В 1990-е гг. две группы астрономов, руководствуясь этими ожиданиями, решили измерить скорость космического замедления. После почти десятилетия работы они объявили результаты — и потрясли тем самым научный мир11. Ожидания не оправдались. Путем тщательного наблюдения взрывов далеких сверхновых — мощных маяков, которые можно видеть и измерять буквально через всю Вселенную, — они открыли, что расширение не замедляется. Оно ускоряется. И не то чтобы этот космический форсаж включился вчера. Исследователи, попадавшие от изумления со стульев, увидели, что астрономические наблюдения показывают: расширение набирает скорость последние 5 млрд лет.