Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе

Эллис Джордж

Тридцать пять лет спустя рассуждения Райта были подтверждены точными наблюдениями Уильяма Гершеля. Кроме того, Райт вычислил количество пригодных для обитания миров в нашей галактике:

В целом число их должно составлять 170 000 000, не считая комет, которые, по моему суждению, являются самыми многочисленными из небесных тел тварного мира.

Утверждение Райта о кометах, возможно, тоже верно, хотя он и не сообщает, как определил их численность. Существование такого количества пригодных для обитания миров для него не только научная гипотеза, но и предмет моральной рефлексии:

В этом великом небесном творении гибель одного мира, такого,

как наш, или даже полное уничтожение системы миров может означать для великого Творца Природы не более, чем для нас — самое обычное жизненное происшествие; и весьма вероятно, что такие последние и окончательные Судные дни случаются здесь не реже, чем у нас на земле — дни рождения или смерти. В этой мысли есть нечто столь ободряющее, что всякий раз, возводя глаза к небу, я спрашиваю себя, почему бы всем нам не стать астрономами; ибо если бы люди, наделенные умом и здравым смыслом, не пренебрегали наукой, к коей влекут их естественные устремления, то понимание природы убедило бы их в собственном бессмертии и научило со спокойствием и бесконечным терпением переносить все неприятности, присущие человеческой природе.

Наблюдение за звездным небом подсказывает нам, чего не следует делать, чтобы сохранить свое природное право на это драгоценное достояние, которое, увы, мы воображаем принадлежащим нам безраздельно, как некоей расе тщеславных гигантов, хотя на деле мы бесконечно малы и прикованы к своему миру, как к малой песчинке приковано множество атомов песка.

Такова мудрость восемнадцатого столетия. «Чем лучше мы понимаем вселенную, тем более бессмысленной она нам представляется», — отвечает на это Стивен Уэйнберг. Что ж, если это мудрость нынешнего века, я предпочту век давно минувший.

Лекция II. Физика

В этой лекции я вслед за Исламом (1977) разберу вопрос о физических процессах, происходящих в открытой вселенной на протяжении очень долгих временных периодов. При этом я говорю о естественной вселенной, не учитывая влияния на нее жизни и разума. Жизнь и разум мы обсудим в лекциях 3 и 4.

В основе нашего рассуждения лежат два предположения. (1) Законы физики не меняются со временем. (2) Все важные для нашей темы физические законы нам уже известны. Эти два предположения уже были выдвинуты Уэйнбергом (1977) в его описании прошлого. Я обосновываю их так же, как и он. Верим мы или нет, что ныне известные законы физики являются конечной и неизменной истиной — весьма полезно проследить следствия действия этих законов как в прошлом, так и в будущем. В экстраполяции наших знаний от известного к неизвестному лучше проявить излишнюю смелость, чем излишнюю робость. Может случиться, как уже случилось с космологическими рассуждениями Альфера, Германа и Гамова (1948), что наивное распространение известных нам законов на новую территорию приведет нас к постановке новых и важных вопросов.

В других местах (Dyson, 1972, 1978) я суммировал свидетельства в пользу того, что законы физики не меняются. Самое поразительное свидетельство недавно получено Шляхтером (1976) при измерении соотношений изотопов в образцах руды, взятой из естественного ядерного реактора, существовавшего около 2 миллиардов лет назад в урановой шахте Окло в Габоне (Maurette, 1976). Основное полученное им число — соотношение ( ¹⁴⁹Sm/ ¹⁴⁷Sm) между двумя легкими изотопами самария, не являющимися продуктами ядерной реакции. У нормального самария это соотношение составляет около 0,9; в реакторе Окло — около 0,02. По–видимому, количество ¹⁴⁹Sm было сильно уменьшено дозой горячих нейтронов, воздействию которых этот изотоп подвергся во время ядерной реакции. Если в современном реакторе мы померим сечение захвата горячих нейтронов у ¹⁴⁹Sm, то получим значение 55 kb, с сильным резонансом захвата при энергии нейтронов 0,1 eV. Детальный анализ соотношений изотопов в Окло приводит нас к выводу, что два миллиарда лет назад сечение ¹⁴⁹Sm находилось в интервале 55 ± 8 kb. Это означает, что за 2•10 ⁹лет значение резонанса захвата не сдвигалось более, чем на 0,02 eV. Однако положение этого резонанса соответствует различию между энергиями связи в основном состоянии ¹⁴⁹Sm и в производном состоянии ¹⁵⁰Sm, захватившем

нейтрон. Каждая из этих энергий составляет порядка 10 ⁹eV и сложным образом зависит от силы ядерного и кулоновского взаимодействий. То, что на протяжении 2•10 ⁹лет между этими энергиями связи сохраняется баланс с точностью 2 доли на 10 ¹¹, показывает, что изменения величин ядерной и кулоновской сил не могли быть больше, чем несколько долей на 10 ¹⁸в год. На сегодняшний день это наиболее убедительное доказательство неизменности законов физики. То, что никаких свидетельств изменений не обнаружено, разумеется, не доказывает, что законы строго постоянны. В особенности нельзя исключить возможности вариаций в величине гравитационных сил, причем во временной период гораздо короче, чем 10 ¹⁸лет. Но для простоты мы примем, что законы физики строго постоянны. Всякое иное предположение создаст нам большие сложности, заставив вводить произвольные дополнительные гипотезы.

Доказать, что все физические законы, имеющие значение для отдаленного будущего, уже нам известны, для меня невозможно в принципе. Наиболее серьезный вопрос, касающийся конечной судьбы вселенной, — вопрос о том, абсолютно ли защищен протон от распада на более легкие частицы. Если протон нестабилен — вся материя смертна и обречена рассеяться в радиацию. Выдвигаются серьезные теоретические аргументы (Zeldovich, 1977; Barrow and Tipler, 1978; Feinberg, Goldhaber, and Steigman, 1978) в поддержку мнения, что протоны распадаются с большим периодом полураспада, возможно в ходе процессов, в которых задействуются черные дыры. Экспериментально установленные ограничения на распад протонов (Kropp and Reines, 1965) не исключают существования таких процессов. Однако опять-таки для простоты мы исключаем эту возможность и предполагаем, что протон абсолютно стабилен. Позже я подробно рассмотрю воздействие реальных процессов, задействующих черные дыры, на стабильность материи в целом.

Теперь я готов начать дискуссию о физических процессах, происходящих в открытой космологии (6) в течение все более и более продолжительных отрезков времени. Сначала рассмотрим классические астрономические процессы, затем — процессы квантовой механики.

Примечание, добавленное в гранках.Со времени публикации этих лекций вышло в свет множество статей, посвященных моделям «великого объединения» в физике элементарных частиц, где протон нестабилен (Nanopoulos, 1978; Pati, 1979; Turner and Schramm, 1979).

А. Эволюция звезд

Самые долгоживущие звезды с низкой массой истощат свое водородное «топливо», сожмутся в белых карликов и остынут до крайне низких температур за период порядка 10 ¹⁴лет. Более тяжелым звездам понадобится меньше времени, чтобы дойти до финального состояния — белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры, в зависимости от особенностей эволюции каждой конкретной звезды.

Б. Отделение планет от звезд

Среднее время, необходимое для того, чтобы планета отделилась от звезды в результате близкой встречи со второй звездой, составляет

Т = (pV) ^{– 1}, (14)

где р — плотность звезд в пространстве, V — средняя относительная скорость двух звезд и — сечение столкновения, вызвавшего отделение. Для системы «Земля–Солнце», двигающейся во внешней области диска спиральной галактики, приблизительные количественные значения следующие:

р = 3•10–4 ¹км ³, (15)

V = 50 км/с, (16)

= 2•10 ¹⁶км ², (17)

Т= 10 ¹⁵лет. (18)

Временной отрезок для встречи, влекущей за собой серьезные нарушения планетарных орбит, составляет заметно меньше, чем 1015 лет.

В. Отделение звезд от галактик

Динамическая эволюция галактик — сложный и еще не до конца понятный процесс. Здесь мы можем дать только очень грубую оценку сроков. Если галактика состоит из N звезд массой М в радиусе R, то их средняя скорость составляет порядка