Эврика-86
Шрифт:
На протяжении второго и третьего десятилетий XX столетия, когда шло становление релятивистской космологии, внимание ученых в основном было сосредоточено на двух других парадоксах — гравитационном (если, с одной стороны, Вселенная пространственно бесконечна, а с другой теория тяготения Ньютона действительно «всемирна», то в каждой точке космического пространства гравитационный потенциал был бы бесконечно большим, чего фактически нет) и фотометрическом (если бы Вселенная представляла собой бесконечную совокупность однородно распространенных по всему
пространству звезд, то их суммарное излучение было бы так велико, что ночное небо светило бы столь же ярко,
Термодинамический же парадокс привлек внимание лишь в начале тридцатых годов, когда были заложены основы релятивистской термодинамики, когда классическая физика тепла была переформулирована на понятийном и математическом языке теории относительности. В итоге же выяснилось, что авторы нашумевшего вывода о грядущей "тепловой смерти" Вселенной не учли — дайне могли учесть, ибо это прояснилось именно в свете общей теории относительности, — принципиально важные физические особенности Вселенной как целокупности гравитирующих систем.
Как оказывается, дело вовсе не в бесконечности или конечности пространственной протяженности Вселенной — второй закон термодинамики одинаково применим к обоим типам физической Вселенной. И хотя непрерывное возрастание энтропии никогда не прекращается, Вселенная никогда не достигнет состояния теплового равновесия, ибо самого предельного, максимального значения энтропии не существует
В чем же дело?
Главное — в физических тонкостях «взаимоотношения» Вселенной и создаваемого ею гравитационного поля. Последнее же, как это выяснилось уже после эпохального научного открытия А. Фридмана (расширения Вселенной), оказалось переменным. Между тем вывод классической науки о том, что любая замкнутая физическая система в ходе своей длительной эволюции неизбежно перейдет в состояние статистического равновесия, относится к системе, находящейся в стационарных (неизменных во времени) внешних условиях. Это во-первых.
Во-вторых, переменное гравитационное поле замкнутой системы с точки зрения теории тяготения Эйнштейна не
может уже рассматриваться составной частью системы (не будь это так, законы сохранения, образующие основу физической статистики, применительно ко Вселенной как целому потеряли бы всякий смысл); оно выступает по отношению ко Вселенной внешним, причем нестационарным условием. Коль скоро это так, Вселенную в целом нельзя считать изолированной (замкнутой) физической системой в принятом значении этого термина.
Вот почему применимость второго закона термодинамики в космологии не означает автоматического наступления во всей Вселенной статистического равновесия: нестационарной (расширяющейся) Вселенной не страшна угроза "тепловой смерти", ибо ей не суждено осуществиться когда-либо! Однако, как свидетельствует опыт одного из героев древнеиранских сказок, выпустить дэва из закупоренного кувшина гораздо легче, чем вновь загнать его туда…
И действительно, на светлом фоне последних теоретических достижений космологии опять видна тень идеи физической смерти Вселенной (правда, теперь уже не «тепловой», а "холодной"), идеи, казалось бы, давно похороненной на кладбище честолюбивых амбиций религиозно ориентированного человеческого сознания.
Относительно будущей судьбы наблюдаемой Вселенной фридмановская теория предлагает два сценария, выбор одного из которых зависит от среднего значения определенного, измеримого космологического параметра величины средней плотности космической материи в настоящую эпоху: последующее неограниченное во времени расширение или же сжатие после достижения максимального радиуса расширения с последующим возможным повторением всего эволюционного цикла (расширение — сжатие).
Так вот, говоря о тени идеи физической смерти Вселенной в новейшей космологии, мы имеем в виду те схемы
развития Вселенной, которые предсказывают неограниченное во времени расширение Метагалактики.
Долгое время эти космологические модели оставались математическими схемами, лишенными физической плоти и крови. Недавно их физической конкретизацией занялись известные теоретики (Ф. Дайсон, К. Ислам, С. Вайнберг, И. Шкловский и другие). Как оказалось, в весьма отдаленном будущем Вселенную ожидает "мучительнейший конец". Так, согласно выводам группы американских исследователей (Д. Айкус, Дж. Литоу, Д. Теплиц, В. Теплиц), рассчитавших развитие космической материи на период до 10 °° лет, эволюция пространственнооткрытой Вселенной должна пройти шесть этапов.
Спустя 10 ^ лет (после начала ныне продолжающегося расширения) все звезды израсходуют свое ядерное горючее и погаснут (первый этап). Когда возраст Вселенной достигнет 10 ^ лет, мертвые звезды останутся без своих планет (второй этап). Затем начнется «испарение» звезд из галактик; оставшееся же в галактиках вещество начнет сжиматься, а в конечном итоге образует сверхмассивные "черные дыры" (третий этап). В течение последующих лет распадутся все протоны, что, в свою очередь, приведет к нагреву холодных звезд, покинувших свои галактики (четвертый этап). Когда возраст Вселенной достигнет 10^ лет, распадется почти 40 процентов всего вещества (пятый этап). К 10^ годам во Вселенной останутся лишь разреженный электрон-позитронный газ, нейтрино и фотоны, а также сверхмассивные "черные дыры". Когда же возраст Вселенной достигнет 10 °° лет, то в процессы необратимого разложения будут вовлечены и сами дыры.
Не излагая другие теоретические выкладки, касающиеся физических деталей эволюции Вселенной по
щей ветви развития, ограничимся двумя замечаниями общего характера.
Во-первых, на достигнутом ныне уровне знания вопрос о направлении и характере эволюции Вселенной в отдаленном будущем в принципе остается открытым: современная космология еще не может утверждать с полной уверенностью, чем кончится ныне наблюдаемое расширение. Пространственно-открытая же модель, в рамках которой предсказывается физическая судьба наблюдаемой Вселенной, — лишь один из возможных вариантов развития космической материи, согласно одной из многочисленных общерелятивистских моделей, совершенно равноправных в теоретическом и логическом планах. Хотя многие современные космологи высказываются именно за этот вариант, однако есть не менее веские аргументы в пользу пространственно-замкнутой осциллирующей модели. Так, ряд ведущих астрофизиков полагают, что во Вселенной, кроме видимого вещества, может существовать и много невидимой материи, учет которой заметно изменит общую оценку средней плотности космологического субстрата.
В самое последнее время в связи с предполагаемым открытием массы покоя у нейтрино значительно укрепилось Эмпирическое основание этой точки зрения. Возможно, именно реликтохые нейтрино вносят основной вклад в среднюю плотность космической материи; она с учетом этого вклада оказывается больше ее критического значения, обеспечивающего конец расширения. (При этом автоматически разрешается и проблема "скрытой массы" галактик и их скоплений.) Это значит, что нейтринная Вселенная пространственно замкнута и со временем ее нынешнее расширение сменится сжатием.