Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Гипотезу Гельмгольца — Клаузиуса много раз опровергали, подтверждали и опять опровергали. Сегодня это сделать нетрудно. Почти все космологи согласны, что наше мироздание возникло как результат Большого взрыва сверхмикроскопического (диаметром не более 10 –33см) пузырька первичной квантовой «пены», о природе которой мало что известно. Поначалу размер Вселенной удваивался примерно каждые 10 –34с. (эта стадия называется инфляционной), но после пары сотен таких «тик-таков» он стал увеличиваться много медленней. После акта рождения (или творения, если кому-то так больше нравится) прошло около 13,8 млрд лет, и все это время Вселенная непрерывно увеличивалась. Сначала материя отличалась высокой степенью однородности, затем под действием гравитации стала стягиваться в упорядоченные космические структуры (звезды, галактики, скопления галактик, планеты и т. п.). Хотя эти процессы шли (и идут) с нарастающей энтропией, они увеличивают макроскопическую неоднородность Вселенной. Как бы ни расширялась Вселенная, она никогда не сможет достигнуть термодинамически равновесного состояния с одинаковой температурой. Поэтому классическая модель тепловой смерти явно выглядит ошибочной.

Однако это еще не все. Пусть в очень отдаленном будущем космос окажется заполнен одним лишь электромагнитным излучением и одиночными стабильными частицами, значительно отдаленными друг от друга и посему не вступающими ни в какие союзы. Из-за разбухания Вселенной это излучение распределится по все возрастающему объему и поэтому охладится. Если скорость расширения Вселенной будет и дальше увеличиваться, как это происходит в нашу эпоху, то этот процесс еще больше усилится. Формально такое состояние (его принято называть космологической тепловой смертью) не тождественно прогнозам Гельмгольца и Клазиуса, однако фактически на них похоже. Многие сценарии эволюции расширяющейся Вселенной имеют именно такой финал. Поэтому по существу классики оказались правы, на то они и классики.

Еще лет тридцать назад в космологии доминировали две модели эволюции космоса, основанные на ОТО. В открытой модели Вселенная расширяется вечно, но скорость ее расширения монотонно сокращается и стремится к положительному пределу. В закрытой модели расширение сменяется сжатием, практически стягивающим Вселенную в точку. Выбор между этими вариантами определяется тем, какова будет в начале процесса расширения средняя плотность энергии космической материи — больше или меньше некоего критического значения. При абсолютно строгом и потому физически невозможном равенстве Вселенная опять-таки вечно увеличивается, но скорость ее расширения стремится к нулю. Еще в 1980-е гг. данные астрономических наблюдений позволили прийти к выводу, что отношение суммы средней энергетической плотности всех известных видов вещества и излучения и гипотетической темной материи к критическому показателю не превышает 0,3.

Эту простую схему пересмотрели после того, как в самом конце прошлого века было доказано, что расширение Вселенной вот уже в течение 5 млрд лет происходит с ускорением. Эту возможность рассматривали и раньше, но чисто теоретически. Сейчас считают, что полная плотность энергии составляет не 30 % критического значения, а практически равна ему, вернее немногим его меньше. В определение этой полной плотности нужно добавить еще одно слагаемое — темную энергию (например, энергию вакуума). Эта энергия противостоит силе тяготения и, следовательно, вызывает расширение пространства. По последним данным, она не была особенно важна в течение первой половины жизни Вселенной, но потом начала доминировать. Точнее, Вселенная перешла от замедляющегося расширения к ускоренному приблизительно 5 млрд лет назад, когда плотность темной энергии превысила половину плотности барионного вещества и темной материи.

Чтобы вакуум действовал как антигравитатор, плотность его энергии должна быть положительной, в противном случае она усилит действие тяготения. Наблюдение за дальними сверхновыми показало, что Вселенная ускоряет свое расширение очень медленно. Это означает, что плотность энергии вакуума лишь немного больше нуля. Если эта ситуация сохранится и в будущем, то Вселенная до скончания веков будет расширяться с чрезвычайно плавным ускорением. Но есть и альтернатива — темная энергия наберет силу, темпы расширения резко возрастут, и Вселенная буквально взорвется, причем за относительно короткое время. Вариант со спокойным расширением (с темной энергией или без нее) называют Большой заморозкой (Big Freeze), вариант с переходом к взрывоподобному расширению — Большим разрывом (Big Rip).