Журнал

 Главы Параллельные миры

Отрывок из книги физика Митио Каку о трех законах термодинамики, теории Большого сжатия Вселенной и будущем Солнца

24 августа 2017

Совместно с издательством «Альпина нон-фикшн» мы публикуем отрывок из книги «Параллельные миры: об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем космоса» профессора физики и популяризатора науки Митио Каку, посвященной теории мультивселенной и истории астрономии.

Конец всего

[Рассматривая] точку зрения, которой придерживается большинство физиков, а именно, что Солнце, а также все остальные планеты с течением времени станут слишком холодными для жизни, если только какое-нибудь большое небесное тело не врежется в Солнце, дав ему тем самым новую жизнь, при той вере, которую я испытываю в то, что человек в далеком будущем будет намного более совершенным существом, невыносима даже сама мысль о том, что он и все сознательные существа обречены на полное вымирание после такого продолжительного медленного прогресса. Чарльз Дарвин

Согласно скандинавской легенде, конец света, или Рагнарек (Сумерки богов), будет сопровождаться большими катаклизмами. Мидгард (Средиземье), а также небеса окажутся в тисках пробирающего до костей мороза. Пронизывающие ветра, ослепляющие метели, разрушительные землетрясения и голод охватят землю, а мужчины и женщины будут беспомощно вымирать в огромных количествах. Три такие зимы одна за другой парализуют землю, а ненасытные волки поглотят солнце и луну, и мир погрузится в беспросветную тьму. Звезды будут срываться с неба, земля будет дрожать, горы разрушатся. Вырвутся на свободу чудовища, а также бог хаоса Локи, сея войны, разрушение и раздоры в этих унылых землях.

Один, отец богов, соберет своих храбрых воинов для последней битвы в Валгалле. В конце концов, когда боги один за другим погибнут, злой бог Сурт дохнет огнем и серой и нестерпимый жар охватит небо и землю. Когда вся Вселенная утонет в языках пламени, земля погрузится в океаны, а само время остановится. Но из Мирового океана явится новое начало. Новая, не похожая на прежнюю земля постепенно поднимется из моря, а на плодородной почве в изобилии взойдут новые экзотические растения, плодовые деревья. Родится новая человеческая раса.

Один обращается к во́ронам Хугину и Мунину. Изображение XVIII века в исландской рукописи. Датская королевская библиотека // wikimedia.org

Легенда викингов о повсеместном холоде, за которым последуют языки пламени и финальная битва, представляет собой мрачную историю о конце света. Подобные мотивы можно обнаружить в мифологиях всего мира. Конец света обычно сопровождается серьезными климатическими катаклизмами, как правило, великим пожаром, землетрясениями или метелью, за которыми следует последняя битва Добра и Зла. Но присутствует также и идея надежды. Из пепла приходит возрождение.

Ученые, имеющие дело с холодными законами физики, сегодня вынуждены столкнуться с подобными мотивами. Точку зрения ученых на конец Вселенной определяют не мифы, шепотом передаваемые из уст в уста у походных костров, а достоверные данные. Однако мотивы, подобные мифологическим, могут доминировать и в научном мире. Среди решений уравнений Эйнштейна мы видим такие возможные варианты будущего, где также фигурируют великий холод, огонь, катастрофа и конец Вселенной. Но будет ли после всего этого возрождение?

Согласно картине, полученной при помощи спутника WMAP, загадочная антигравитационная сила ускоряет расширение Вселенной. Если это будет длиться миллиарды или триллионы лет, то Вселенная неминуемо придет к состоянию Большого охлаждения, похожего на метель, предшествующую Сумеркам богов, что станет концом всякой известной нам жизни. Эта гравитационная сила, растягивающая Вселенную в стороны, пропорциональна ее объему. Таким образом, чем больше становится Вселенная, тем больше сила антигравитации, расталкивающая галактики в стороны, что, в свою очередь, снова увеличивает объем Вселенной. Этот замкнутый цикл повторяется бесконечно, до тех пор пока Вселенная не начнет расширяться безудержно и расти экспоненциально быстро.

В конечном счете это означает, что 36 галактик Местной группы[1 ] будут составлять всю видимую Вселенную, в то время как миллиарды соседних галактик унесутся за пределы нашего горизонта событий. Когда пространство, разделяющее галактики, начнет расширяться быстрее скорости света, наша Вселенная окажется ужасно одинокой. Температуры упадут, а оставшаяся энергия будет рассеяна в пространстве. Когда температуры опустятся почти до абсолютного нуля, разумным видам придется встретиться лицом к лицу со своей окончательной судьбой: замерзнуть насмерть.

Три начала термодинамики

Если весь мир — сцена, как сказал Шекспир, то в конце концов должен быть и заключительный, третий акт. В первом у нас были Большой взрыв, зарождение жизни и сознания на Земле. Во втором мы, вероятно, начнем исследовать звезды и галактики. И, наконец, в третьем мы столкнемся с окончательной гибелью Вселенной в Большом охлаждении.

В конечном счете мы приходим к тому, что сценарий должен соответствовать законам термодинамики. В XIX веке физики сформулировали три начала термодинамики, которые управляют тепловой физикой, и начали размышлять о конечной смерти Вселенной. В 1854 году великий немецкий физик Герман фон Гельмгольц понял, что начала термодинамики можно применить к Вселенной как к целому, а это означает, что всему, что нас окружает, в том числе звездам и галактикам, в итоге наступит конец.

Первое начало термодинамики гласит, что общее количество вещества и энергии остается неизменным[2 ]. Хотя вещество и энергия могут превращаться друг в друга (с помощью знаменитого уравнения Эйнштейна Е = mс²), общее количество вещества и энергии создать или уничтожить нельзя.

Второе начало — самое загадочное и глубокое. Оно гласит, что общее количество энтропии (хаоса, или беспорядка) во Вселенной все время возрастает. Иными словами, в конце концов все должно состариться и прийти к своему завершению. Лесные пожары, ржавление машин, падение империй, старение человеческого тела — все эти процессы представляют возрастание энтропии в мире. К примеру, легко сжечь клочок бумаги. Этот процесс представляет собой чистый прирост общего количества энтропии. Однако невозможно загнать дым обратно в бумагу. (Энтропию можно заставить снизиться при привлечении механической работы, наподобие того, как это сделано в холодильнике, но лишь для небольшой близлежащей области. Что касается общей энтропии всей системы — холодильник плюс все его окружение, — то она всегда возрастает.)

Артур Эддингтон однажды так сказал о втором законе: «Закон, согласно которому энтропия все время возрастает, — второй закон термодинамики — занимает, по моему мнению, высшее положение среди всех законов природы… Если обнаруживается, что ваша теория противоречит второму закону термодинамики, я не думаю, что у нее есть какие-то шансы; этой теории остается лишь потерпеть унизительное поражение».

(Поначалу кажется, что существование сложных форм жизни на Земле противоречит второму закону. Удивляет, что из хаоса ранней Земли появилось невероятное разнообразие жизненных форм, даже обладающих разумом и сознанием, что снижает количество энтропии. Некоторые принимают это чудо за подтверждение того, что к созданию приложил свою руку некий благожелательный творец. Но вспомним о том, что жизнь движется согласно законам эволюции и что Солнце бесконечно поставляет дополнительную энергию, питающую жизнь. Если рассматривать Землю и Солнце вместе, то общая энтропия системы все же возрастает.)

Третье начало гласит, что ни один холодильник не может достичь температуры абсолютного нуля. Можно дойти до температуры на ничтожную долю выше абсолютного нуля, но никогда нельзя достичь состояния с нулевым движением. (А если мы включим квантовый принцип, то это подразумевает, что молекулы всегда будут обладать небольшим количеством энергии, поскольку нулевая энергия означает, что нам будут известны точное местонахождение и точная скорость каждой молекулы, а это противоречило бы принципу неопределенности.)

Если применить второе начало в масштабах всей Вселенной, то это означает, что вся Вселенная в конечном счете остановится. Звезды израсходуют свое ядерное топливо, галактики больше не будут освещать небо, а от Вселенной останется безжизненное скопление мертвых звезд-карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Вселенная погрузится в вечную тьму.

Некоторые космологи пытались обойти эту «тепловую смерть», выдвинув теорию пульсирующей Вселенной. В такой Вселенной энтропия постепенно возрастала бы по мере ее расширения и в конечном счете сжатия. Но, после того как произойдет Большое сжатие, непонятно, что станет с энтропией во Вселенной. Некоторые поддерживают мысль о том, что Вселенная, возможно, могла бы просто-напросто в точности повторить самое себя в течение следующего цикла. Более реалистичной выглядит возможность того, что энтропия перенесется в следующий цикл, а это означает, что срок жизни Вселенной будет постепенно увеличиваться с каждым новым циклом. Но вне зависимости от того, как мы будем рассматривать этот вопрос, результатом развития пульсирующей Вселенной, так же как открытой и закрытой Вселенной, станет уничтожение всякой разумной жизни.

Большое сжатие

Теория Большого взрыва: как зародилась Вселенная?

Одной из первых попыток применения физики для объяснения конца Вселенной стала работа, написанная в 1969 году сэром Мартином Рисом. Она называлась «Коллапс Вселенной: эсхатологическое исследование». В те времена о значении Ω было мало что известно, а потому из предположения Риса, что Ω = 2, вытекало, что Вселенная в конечном счете прекратит свое расширение и погибнет не от Большого охлаждения, а от Большого сжатия.

Рис подсчитал, что расширение Вселенной в конце концов прекратится, когда галактики будут находиться на расстоянии вдвое большем, чем сейчас: тогда гравитация наконец преодолеет первоначальное расширение Вселенной. Красное смещение, которое мы наблюдаем в небе сегодня, превратится в синее, когда галактики ринутся по направлению к нам.

Согласно этой версии, приблизительно через 50 млрд лет, считая от настоящего времени, произойдут катастрофические события, которые станут началом последней предсмертной агонии Вселенной. За 100 млн лет до Большого сжатия галактики Вселенной, в том числе и наша галактика Млечный Путь, начнут сталкиваться друг с другом и в конце концов сольются. Как это ни странно, Рис обнаружил, что отдельные звезды прекратят свое существование еще до того, как начнут сталкиваться друг с другом, по двум причинам. Во-первых, возрастут энергии излучения других звезд по мере того, как Вселенная будет сжиматься; таким образом, звезды будут купаться в обжигающем, сместившемся в синюю сторону свете, исходящем от других звезд. Во-вторых, возрастет температура фонового микроволнового излучения, связанная с резким скачком температуры всей Вселенной. Совместное действие этих двух эффектов создаст температуры, превосходящие температуры поверхности звезд, звезды будут поглощать тепло быстрее, чем смогут от него избавляться. Иными словами, звезды, вероятно, разрушатся и рассеются в сверхгорячие газовые облака.

Анимация Большого сжатия Вселенной // wikimedia.org

Разумная жизнь при таких условиях неизбежно погибнет, сгорев в космическом жаре, изливающемся из близлежащих звезд и галактик. Спасения нет. Как написал Фримен Дайсон: «Как ни прискорбно, я вынужден согласиться, что в этом случае мы не избежим зажаривания. Как бы глубоко мы ни вкопались в Землю, чтобы защититься от фонового излучения с синим смещением, мы сможем лишь на несколько миллионов лет отсрочить свой жалкий конец».

Если Вселенная стремится к Большому сжатию, то остается проблема того, что, сжатая, она может затем снова расшириться, как в модели пульсирующей Вселенной. Именно такой сценарий описывается в романе Пола Андерсона «Тау Ноль». Если бы Вселенная была ньютонианской, то это было бы возможно при условии достаточного смещения в момент слияния галактик. В этом случае, может быть, звезды не сожмутся в одну точку, а пролетят мимо друг друга в момент максимального сжатия, так и не столкнувшись, и, таким образом, Вселенная снова начнет расширяться.

Однако наша Вселенная — отнюдь не ньютонианская; она повинуется уравнениям Эйнштейна. Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг показали, что при самых общих обстоятельствах сжимающееся скопление галактик обязательно придет к сингулярности. (Это произойдет потому, что поперечное движение галактик обладает энергией, а отсюда следует, что оно взаимодействует с гравитацией. Таким образом, гравитационное притяжение для сжимающихся вселенных в теории Эйнштейна намного сильнее, чем то, которое дает теория Ньютона, и наша Вселенная сжимается в одну точку.)

Пять этапов развития Вселенной

Однако последние данные, полученные со спутника WMAP, свидетельствуют в пользу сценария Большого охлаждения. Для анализа жизненного пути Вселенной такие ученые, как Фред Адамс и Грег Лафлин из Мичиганского университета, попытались разделить срок жизни Вселенной на пять этапов. Поскольку речь идет о поистине астрономических временных масштабах, мы примем логарифмическую систему временного отсчета. Таким образом, 1020 лет будут представлены как 20. (Эта временная шкала была составлена еще до того, как ученые полностью осознали все последствия, вытекающие из факта расширения Вселенной. Но в целом разделение пути развития Вселенной на этапы не изменилось.)

Этап 1. Первичный период

На первом этапе своего развития, между –50 и 5, или между 10^–50 и 10⁵ с, Вселенная стремительно расширялась, а также стремительно остывала. По мере ее остывания различные взаимодействия, прежде объединенные в единую основную сверхсилу, постепенно отделялись друг от друга, а результатом этого распада является четыре известных нам сегодня взаимодействия. Первой отщепилась гравитация, затем сильное ядерное взаимодействие, и наконец — слабое ядерное взаимодействие[3 ]. Поначалу Вселенная была непрозрачной, а небо — белым, поскольку свет поглощался слишком быстро после своего возникновения. Но спустя 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная уже достаточно остыла для того, чтобы атомы образовывались и больше не разрушались из-за невероятного жара. Небо стало черным. Микроволновое фоновое излучение восходит именно к этому временному отрезку.

В этот период происходил синтез первичного водорода с образованием гелия, в результате чего по Вселенной распространилась современная смесь звездного топлива. На этом этапе развития Вселенной известная нам жизнь представлялась невозможной. Жар был слишком силен; любые образовавшиеся ДНК или другие аутокаталитические молекулы разрушились бы из-за беспорядочных столкновений с другими атомами, что делало невозможным создание устойчивых соединений, необходимых для существования жизни.

Этап 2. Звездная эпоха

Сегодня мы живем во втором временном периоде (между 6 и 14, или между 10⁶ и 10¹⁴ с), когда водород сжался и зажглись звезды, осветившие небо. В эту эпоху мы видим богатые водородом звезды, которые не перестают гореть на протяжении миллиардов лет, пока не истощится их ядерное топливо. Космический телескоп «Хаббл» сфотографировал звезды на всех этапах их развития, в том числе молодые звезды, окруженные вращающимся диском пыли и обломков — вероятно, предшественников планет и солнечных систем.

Вид «Хаббла» с борта космического корабля «Атлантис» STS-125 // wikimedia.org

На этом этапе развития условия для создания ДНК и жизни идеальны. Учитывая невероятно большое количество звезд в видимой Вселенной, астрономы попытались обосновать с помощью известных научных законов аргументы в пользу возможности зарождения разумной жизни в других планетарных системах. Но любая форма разумной жизни будет вынуждена столкнуться с самыми разнообразными космическими препятствиями, многие из которых она сотворит сама: например, загрязнение окружающей среды, глобальное потепление и ядерное оружие. Предположим, разумная жизнь не уничтожит себя сама, но она должна будет столкнуться с устрашающим количеством стихийных бедствий, каждое из которых может закончиться глобальной катастрофой.

Спустя десятки тысяч лет нас может ожидать ледниковый период, подобный тому, который похоронил Северную Америку под слоем льда в полтора километра, не давая развиться там человеческой цивилизации. Более 10 000 лет тому назад люди жили стаями, как волки, добывая крохи пищи, сбиваясь в маленькие изолированные племена. Информация и знания не накапливались. Письменности не существовало. Перед человечеством стояла одна цель — выжить. Затем по причинам, доселе нам непонятным, ледниковый период закончился, и человечество начало свое стремительное восхождение «от льда к звездам». Однако этот краткий межгалактический период не может длиться вечно. Возможно, еще через десять 10 000 лет новый ледниковый период покроет коркой льда большую часть мира. Геологи считают, что эффекты самых незначительных отклонений во вращении Земли вокруг ее оси в конечном итоге накладываются, позволяя потокам льда спускаться с полярных шапок в низкие широты, окутывая Землю ледяным пологом. В этот момент нам, возможно, придется уйти под землю, чтобы не замерзнуть. Когда-то Земля была полностью покрыта льдом, и это может случиться снова.

Спустя тысячи, а то и миллионы лет нам необходимо будет приготовиться к ударам метеоров и комет. Вероятнее всего, именно удар метеора или кометы стал причиной вымирания динозавров 65 млн лет назад. Ученые считают, что объект внеземного происхождения, возможно 15 км в поперечнике, врезался в полуостров Юкатан в Мексике. В результате этого удара образовался кратер диаметром 300 км, а также произошел выброс в атмосферу достаточного количества обломков, чтобы закрыть солнечный свет, и на Земле стало темно. Следствием этого стали чрезвычайно низкие температуры, которые убили растительность и преобладающую в те времена форму жизни — динозавров. Менее чем за год динозавры, а также большинство других видов на Земле исчезли.

Судя по частоте столкновений с внеземными телами в прошлом, существует 1 шанс из 100 000, что в ближайшие 50 лет столкновение с астероидом станет причиной коллизий мирового масштаба. Если рассматривать временной отрезок в миллионы лет, то вероятность серьезного столкновения возрастет почти до 100%.

Во внутренней части Солнечной системы, где находится Земля, вращается тысяча-полторы астероидов диаметром километр и более и около миллиона астероидов диаметром не менее 50 м. Смитсоновская астрофизическая обсерватория в Кембридже производит около 15 000 наблюдений астероидов в день. К счастью, лишь для 42 из известных астероидов существует хоть и малая, но конечная вероятность столкновения с Землей. В прошлом бывали ложные тревоги по поводу этих астероидов, самая известная из которых была связана с астероидом 1997XF11: тогда астрономы попали на первые страницы газет и журналов всего мира со своим ошибочным прогнозом о том, что этот астероид может столкнуться с Землей через 30 лет. Тем не менее, тщательно изучив орбиту астероида с номером 1950DA, ученые подсчитали, что существует малая — но не нулевая — вероятность его удара о Землю 16 марта 2880 года. (Компьютерное моделирование, проведенное в Калифорнийском университете в Санта-Крузе, показывает, что в случае, если этот астероид попадет в океан, он создаст приливную волну около 120 м высотой, которая затопит все прибрежные территории, нанеся колоссальный ущерб.

Спустя миллиарды лет Солнце может поглотить Землю. Оно уже сегодня на 30% горячее, чем на ранней стадии своего развития. Компьютерный анализ показывает, что через 3,5 млрд лет Солнце будет на 40% ярче нынешнего, а это означает, что Земля будет постепенно разогреваться. Солнце будет светить на небосводе все ярче и ярче до тех пор, пока не заполнит большую часть неба от горизонта до горизонта. Через весьма небольшой срок живые создания, отчаянно пытающиеся спастись от палящего солнечного зноя, возможно, будут вынуждены вернуться обратно в океаны, обращая вспять историческое шествие эволюции на этой планете. В конце концов и сами океаны закипят, что сделает невозможным существование известной нам жизни. Приблизительно через 5 млрд лет ядро Солнца истощит весь свой запас водорода и мутирует в красную звезду-гигант. Некоторые красные гиганты настолько велики, что, будь они расположены на месте нашего Солнца, выходили бы за орбиту Марса. Однако Солнце, вероятно, расширится всего лишь до орбиты Земли, поглотив Меркурий и Венеру и расплавив земные горы. Поэтому весьма вероятно, что Земля погибнет в огне, а не во льду, и на орбите Солнца о станется лишь прогоревший уголек.

Некоторые физики утверждают, что перед тем, как это про изойдет, мы сможем использовать передовые технологии для того, чтобы передвинуть Землю от Солнца на более далекую орбиту, если к тому времени мы уже не мигрируем с Земли на другие планеты в гигантских космических ковчегах. «До тех пор, пока люди умнеют быстрее, чем разгорается Солнце, Земля будет процветать», — замечает астроном и писатель Кен Кросвелл.

Ученые предлагают несколько вариантов перемещения Земли с ее нынешней околосолнечной орбиты. Одним из простых способов является осторожное перенаправление астероидов из пояса астероидов таким образом, чтобы они ударили по Земле. Такое воздействие, которое можно сравнить с выстрелом из рогатки, «подстегнет» орбиту Земли, увеличив ее расстояние от Солнца. С каждым таким ударом орбита будет увеличиваться лишь на самую малость, но у нас будет полно времени, чтобы перенаправить сотни астероидов и завершить это предприятие. «В течение нескольких миллиардов лет до того, как Солнце раздуется в красного гиганта, наши потомки смогут поймать проходящую мимо орбиты Солнца звезду, а затем перебросить Землю с ее солнечной орбиты на орбиту вокруг этой новой звезды», — добавляет Кен Кросвелл.

Что касается нашего Солнца, то ему угрожает другая судьба: оно умрет не в огне, а во льдах. В конце концов, просуществовав 700 млн лет в качестве красного гиганта, сжигающего гелий, Солнце израсходует большую часть своего ядерного топлива, и гравитация сожмет его в белого карлика размером примерно с Землю. Размеры нашего Солнца слишком малы, чтобы оно подверглось катастрофе под названием «сверхновая» и превратилось в черную дыру. Когда наше Солнце превратится в белого карлика, оно в конце концов остынет, светясь сначала слабым красным светом, затем коричневым, и наконец станет черным. Оно будет дрейфовать в космической пустоте как кусочек мертвого ядерного пепла. Будущее почти всех атомов, которые мы сегодня наблюдаем вокруг нас, — в том числе атомов наших собственных тел и тел наших близких, в том, чтобы закончить свое существование на прогоревшем угольке, вращающемся вокруг черной звезды-карлика. Поскольку масса этой звезды-карлика будет составлять всего лишь 0,55 солнечной массы, то, что останется от Земли, перейдет на орбиту, проходящую на 70% дальше от Солнца, чем сегодня.

На этой шкале мы видим, что процветание животных и растений на Земле продлится всего лишь миллиард лет (и сегодня половина этого пути уже пройдена). «Мать-природа не была спроектирована, чтобы сделать нас счастливыми», — говорит астроном Дональд Браунли. В сравнении с жизненным сроком всей Вселенной благополучие жизни длится лишь кратчайший миг.

https://postnauka.ru/longreads/78658