Світле чи темне майбутнє чекає на наш Всесвіт
Теорія інфляції говорить нам, що Всесвіт як ціле існуватиме вічно, але наша місцева область — Всесвіт, що спостерігається — цілком може мати кінець. Це питання було в центрі уваги космологів упродовж більшої частини минулого століття, і за цей час наші уявлення про кінець світу кілька разів змінювалися. Я не стосуватимусь історії цього питання, а викладу сучасний стан космічної есхатології.
Одні кажуть, світ загине у вогні, Інші — у льодах. Роберт Фрост
Безжальні варіанти
Після того як Ейнштейн відмовився від космологічної постійної на початку 1930-х років, передбачення фридманівських однорідних і ізотропних моделей стали простими і зрозумілими: Всесвіт піддасться колапсу і великому стиску, якщо його щільність більша критичної, і продовжить вічно розширюватися в протилежному. Все, що потрібно зробити для визначення долі Всесвіту, - це ретельно виміряти середню щільність матерії і подивитися, чи перевершує вона критичну. Якщо так, то розширення Всесвіту поступово сповільнюватиметься і потім зміниться стисненням. Спочатку повільним, потім усе, що прискорюється. Галактики будуть сходитися все ближче, поки не зіллються у величезний конгломерат зірок. Небо робитиметься все яскравіше, але не через зірок — усі вони, швидше за все, помруть на той час, а через зростаючу інтенсивність космічного мікрохвильового випромінювання. Воно розігріє залишки зірок і планет до дуже неприємних температур, і будь-які істоти, що примудрилися дожити до цих останніх днів, відчують себе лобстерами у киплячій воді.
Нарешті, зірки руйнуються у зіткненнях одна з одною чи випаруються під впливом потужного теплового випромінювання. Гаряча вогненна куля, що утворилася, буде схожа на ту, що існувала в ранньому Всесвіті, завинятком того, що тепер він стискатиметься, а не розширюватиметься. Ще одна відмінність від Великого вибуху полягає в тому, що вогненна куля, що стискається, сильно неоднорідний. Спочатку щільніші області стиснуться в чорні дірки, які потім зливатимуться і укрупнюватимуться, поки всі вони не об'єднаються в одному великому стиску.
У протилежному варіанті - при щільності менше критичної - гравітаційне тяжіння речовини занадто слабке, щоб звернути розширення назад. Всесвіт буде розширюватися вічно. Менш ніж через трильйон років усі зірки вичерпають своє ядерне паливо, і галактики перетворяться на скупчення холодних зіркових залишків — білих карликів, нейтронних зірок та чорних дірок. Всесвіт стане зовсім темним, з примарними галактиками, що розлітаються геть у порожнечі, що розширюється.
Такий стан справ збережеться щонайменше $10^$ років, але зрештою нуклони, з яких складаються зіркові залишки, розпадуться, перетворившись на легкі частки — позитрони, електрони та нейтрино. Електрони та позитрони анігілюють у фотони, і мертві зірки повільно розчиняться. Навіть чорні дірки не існують вічно. Згідно з відомим хокінгівським здогадом, з них повинен відбуватися витік випромінювання, а значить, вони поступово втратить свою масу або, як кажуть фізики, "випаруються". Так чи інакше, менш ніж через гугол років усі знайомі нам структури у Всесвіті перестануть існувати. Зірки, галактики та їх скупчення зникнуть без сліду, залишивши після себе суміш, що стає все більш розрідженою, нейтрино і випромінювання.
Доля Всесвіту закодована параметром, званим омега, який визначається як відношення середньої густини Всесвіту до критичної густини. Якщо омега більша за 1, Всесвіт завершить своє існування великим стисненням; якщо він менше 1,слід очікувати замерзання та повільного розпаду. При прикордонному значенні, якщо параметр омега дорівнює 1, розширення нескінченно сповільнюватиметься, але ніколи повністю не зупиниться. Всесвіт на межі уникне великого стиску, але лише для того, щоб перетворитися на замерзлий цвинтар.
Понад півстоліття астрономи намагалися виміряти значення омега. Однак природа була не схильна розкривати свої довгострокові плани. Параметр омега був напрочуд близький до 1, але точності вимірювань не вистачало, щоб сказати, більше він чи менше.
Інфляційний поворот
Уявлення про кінець Всесвіту змінилися у 1980-х роках, коли на сцену вийшла ідея інфляції. Насамперед велике стиснення і необмежене розширення апріорі здавалися рівноймовірними, але тепер нова теорія інфляції дала певні передбачення.
Під час інфляції щільність Всесвіту стає гранично близькою до критичної. Залежно від квантових флуктуацій скалярного поля деякі області набувають щільності вище або нижче критичної, але в середньому вона майже точно критична. Ті, кого мучать кошмари, викликані майбутнім через кілька трильйонів років великим стиском, можуть розслабитися. Кінець буде повільним і невражаючим: холодний залишок Сонця висітиме цілі зони в порожнечі, чекаючи, поки розпадуться всі його нуклони.
Характерна особливість критичної щільності полягає в тому, що процес утворення структур розтягується на величезний відрізок часу, оскільки більші структури вимагають більше часу на формування. Спочатку виникають галактики, потім вони збиваються у скупчення, а ті згодом утворюють надскоплення. Якщо середня щільність у спостережуваній частині Всесвіту вище критичної, то приблизно через сотню трильйонів років вся ця область перетвориться навеличезне супер-пупер-скупчення. До цього часу всі зірки вже прогорять, а всі спостерігачі, ймовірно, вимруть, але утворення структур триватиме, охоплюючи все більші й більші масштаби. Воно зупиниться, тільки коли космічні структури зникнуть через розпад нуклонів та випаровування чорних дірок.
Інша зміна, пов'язана з інфляцією, полягає в тому, що кінець Всесвіту загалом ніколи не настане. Інфляція вічна. В інших частинах інфлюючого простору-часу формуватимуться незліченні області, схожі на нашу, а їхні мешканці намагатимуться зрозуміти, як усе це почалося і чим закінчиться.
Галактична самота
Фрідманівський взаємозв'язок між щільністю Всесвіту та його остаточною долею працює, тільки якщо щільність енергії вакууму (космологічна постійна) дорівнює нулю. Це було стандартним припущенням до 1998 року, але коли було виявлено свідчення зворотного, всі попередні прогнози майбутнього Всесвіту довелося переглянути. Головний прогноз, згідно з яким кінець світу (локальний) буде крижаним, а не вогненним, зберігся, але деякі деталі змінилися.
Як зазначалося, розширення Всесвіту починає прискорюватися, як тільки щільність речовини стає нижчою, ніж у вакууму. У цей момент всяке гравітаційне нудьгування зупиняється. Скупчення галактик, які вже пов'язані один з одним гравітаційно, зберігаються, але більш пухкі групи розсіюються гравітацією, що відштовхує вакууму.
Наш Чумацький Шлях пов'язаний із так званою Місцевою Групою, що включає гігантську спіральну галактику в Андромеді та близько 20 карликових галактик. Туманність Андромеди тримає курс на зіткнення з Чумацьким Шляхом; вони зіллються приблизно через 1000000000 років. Галактики за межами Місцевої Групи, рухаючись усішвидше і швидше, відлетять геть. Одна за одною вони перетинатимуть наш обрій і зникатимуть з поля зору. Цей процес завершиться за кілька сотень мільярдів років. У далеку епоху астрономія стане дуже нудною справою. Окрім гігантської галактики, що утворилася на полі злиття Туманності Андромеди з її карликовими супутниками, на небі не буде практично нічого". Так що порадіємо небесному шоу, поки ще є така можливість!
Остаточний вердикт
Наш прогноз для Всесвіту був би завершений, якби космологічна стала справді була константою. Але, як знаємо, є серйозні підстави вважати, що щільність енергії вакууму змінюється у дуже широкому діапазоні, приймаючи різні значення різних частинах Всесвіту. У деяких областях вона має велике позитивне значення, в інших — велике негативне, і лише в окремих місцях, де вона близька до нуля, є істоти, які знають про це.
Таким чином, спостерігане нами значення не є найменшою можливою щільністю енергії, а отже, у майбутньому вона неминуче стане меншою. Розглянемо, наприклад, модель Лінде, у якій енергія вакууму пояснюється скалярним полем із дуже пологім енергетичним енергетичним ландшафтом. Ухил настільки малий, що поле дуже мало змінилося за 14 мільярдів років, що пройшли після Великого вибуху. Але врешті-решт воно почне котитися вниз, і космічне прискорення сповільнюватиметься. У деякий момент поле опуститься нижче за нульову позначку, до негативних значень щільності енергії. Негативна енергія вакууму дає гравітаційне тяжіння, тому довге космічне розширення зупиниться і зміниться стиском.
Інший сценарій, що випливає з уявлення про ландшафт теорії струн, говорить, що в класичному сенсі нашвакуум стабільний і має постійну щільність енергії, але квантовомеханічно може розпадатися, утворюючи бульбашки. Ті з них, у яких вакуум має негативну енергію, одного разу з'явившись, розширюватимуться з навколосвітньою швидкістю. Стінка міхура може насуватися на нас прямо зараз. Ми не дізнаємося про її підхід: вона рухається так швидко, що світло не набагато її випереджає. Прихід стіни призведе до повного знищення нашого світу. Навіть частинки, що становлять зірки, планети та наші тіла, не зможуть існувати в новому типі вакууму. Всі знайомі об'єкти миттєво руйнуються і перетворяться на згустки якоїсь невідомої нам матерії.
Так чи інакше, але енергія вакууму стане зрештою негативною у нашій області Всесвіту. Тоді тут розпочнеться ущільнення з наступним колапсом великого стиску.
Навряд чи можна передбачити, коли саме це станеться. Темп зародження бульбашок може бути дуже низьким, тому не виключено, що пройдуть гуголи років, поки на околиці насунеться стінка міхура. У моделях скалярного поля час апокаліпсису залежить від ухилу енергетичного пагорба і може настати досить скоро, всього, наприклад, через 20 мільярдів років.
Уривок з книги А. Віленкіна "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"