SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

r(t) = r0ebt; b ≈ 1/tпл = 3 • 1043.

Такой закон расширения соответствует модели де Ситтера. Размер Вселенной увеличивается очень быстро. Этот процесс получил название раздувание (или инфляция), а модель, описывающая расширение Вселенной под действием гравитационных сил вакуума, получила название инфляционной. Инфляционная модель, по существу, является моделью де Ситтера. Только длится эта стадия не до современного момента и дольше, как полагал Ситтер, а заканчивается значительно раньше.

Раздувание Вселенной началось при t = tпл = 3 • 10-44 с из области размером порядка планковской длины r = 10-33 см и длилось в течение времени Δt. Величина Δt в разных моделях инфляции различна. Согласно одной из первых моделей (см. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. С. 117-118), Δt = 109 tпл , т. е. инфляция длилась примерно до t = 3 • 10-35 с. К концу этого периода размер Вселенной увеличился в раз, температура упала практически до абсолютного нуля ( К). Плотность обычной материи (не вакуума!), которая, как и в теории горячей Вселенной, убывает пропорционально r-4, уменьшилась в раз и стала равной г/см3. При такой плотности одна частица материи отстоит от другой на расстояние св. лет, т. е. на расстояние в невообразимое число раз превышающее современный размер Метагалактики! В это время Вселенная была практически пустой для обычной физической материи. Единственное, что осталось к концу стадии раздувания, это переохлажденное вакуумно-подобное состояние материи. Но такое состояние является неустойчивым. При t = 3 • 10-35 происходит фазовый переход, связанный с распадом вакуумно-подобного состояния. Вакуум переходит в состояние с очень малой плотностью. За счет освободившейся энергии рождаются частицы и античастицы обычной материи. Температура повышается до температуры великого объединения Т = 1027 К, и Вселенная (после непродолжительной переходной стадии) начинает развиваться по законам горячей модели. Частицы и античастицы, заполняющие Вселенную в эту эпоху, возникают при распаде вакуумно-подобного состояния. И если эта горячая плазма является первичной субстанцией нашей Вселенной, то вакуум, из которого она возникает, можно назвать праматерией физического мира.

Как точно происходит инфляция — в настоящее время неизвестно. Существуют разные модели, которые отличаются длительностью инфляционной фазы и другими параметрами. Но общие черты нарисованного сценария сохраняются. Раздувание происходит из вакуумно-подобного состояния за счет сил гравитационного отталкивания вакуума. Расширение идет по экспоненциальному закону. При этом плотность обычной материи быстро падает, а плотность вакуумно-подобного состояния практически не меняется. По окончании инфляционной стадии происходит фазовый переход, вакуумно-подобное состояние распадается, образуется горячая плазма из обычной материи, и Вселенная начинает расширяться по степенному закону (как в горячей модели). Силы гравитационного притяжения, которые теперь превосходят силы отталкивания вакуума, начинают тормозить расширение. Такое замедленное расширение будет продолжаться вплоть до тех пор, пока плотность обычного вещества не станет меньше плотность «вакуумной материи», оставшейся после распада вакуумно-подобного состояния. После этого Вселенная начнет расширяться ускоренно. В самое последнее время (как уже упоминалось) появились данные о том, что Вселенная в современную эпоху расширяется ускоренно. Возможно, это связано с описанным процессом, а та «вакуумная материя», под действием которой происходит ускоренное расширение и которая составляет преобладающую долю «скрытой массы», и есть то, что осталось при распаде вакуумно-подобного состояния в конце инфляции.

Итак, Большой взрыв представляет собой экспоненциальное расширение (раздувание) Вселенной под действием гравитационных сил вакуума — сил отталкивания, которые и являются причиной Первотолчка. Наличие инфляционной стадии в эволюции Вселенной позволяет избежать неприятностей, связанных с обращением в нуль масштабного фактора при t = 0 (во фридмановской модели). При экспоненциальном расширении масштабный фактор обращается в нуль при Т = —∞. В любой конечный момент времени он отличен от нуля, соответственно, и плотность никогда не обращается в бесконечность. Означает ли это, что в инфляционной модели исчезает понятие сингулярности? Нет, не исчезает, но претерпевает качественное изменение. Сингулярным состоянием современные космологи называют состояние, которое имеет место при t = tпл . Как мы видели, в этом состоянии плотность материи очень высока, но не бесконечна. Сингулярность связана не с бесконечно большой плотностью, а с тем, что в этом состоянии перестают действовать все известные физические законы и, главное, понятия времени и пространства из-за квантовых эффектов теряют смысл. По существу, сингулярное состояние является переходным к новым состояниям материн, которые еще не вошли в сферу изучения современной физики.

Инфляционная модель успешно решает и другие космологические проблемы: проблему магнитных монополей, начальных флуктуаций плотности. Все это можно рассматривать как косвенное подтверждение ее справедливости. А нет ли прямых экспериментальных доказательств справедливости этой модели? В теории горячей Вселенной такими экспериментальными подтверждениями являются: реликтовое излучение, относительное обилие водорода и гелия, наблюдаемое отношение числа фотонов к числу частиц вещества (nфот/nнукл = 10-9). А как обстоит дело в инфляционной теории? В планковскую эпоху, согласно теории, в сверхсильных гравитационных полях должны интенсивно рождаться кванты гравитационного поля — гравитоны. Рожденные на заре возникновения Вселенной они в дальнейшем не взаимодействуют с другими частицами и должны сохранить информацию об эпохе своего рождения. В современной Вселенной эти реликтовые гравитоны должны образовать фон гравитационного излучения подобно позднее возникшему фону реликтовых нейтрино и фотонов. К сожалению, регистрация реликтового гравитационного излучения находится пока за пределами экспериментальных возможностей.

Итак, согласно инфляционной модели, наша Вселенная возникла в момент tпл , раздуваясь из одной-единственной причинно-связанной области размером rпл = 10-33 см. Означает ли это, что все пространство физического мира в этот момен т времени сводилось к столь ничтожной области? С точки зрения фридмановской космологии, в рамках закрытой модели дело обстояло бы именно так. Современная космология исходит из других представлений.

Согласно этим представлениям, извечно существует бесконечное (вообще говоря, многомерное) пространство, заполненное физическим вакуумом. В этой вечнокипящей субстанции (вакуумной пене) непрерывно происходят квантовые флуктуации, в результате которых могут рождаться трехмерные[145] планковские миры размером rпл = 10-33 см с плотностью ρпл ≈ 1094 г/см3. Большая часть их из-за квантовых флуктуаций тут же (за время порядка 10-44 с) возвращается в состояние пены. Но небольшая доля, в результате длинной цепочки случайных флуктуаций, приобретает плотность заметно отличающуюся от ρпл , (причем меньшую, чем ρпл). Такие «пузырьки» уже не могут вернуться в состояние исходной вакуумной пены. Они то и составляют зародыши будущих вселенных. Материя в них находится в вакуумно-подобном состоянии (ρвак >> ρ). Под действием сил гравитационного отталкивания они начинают раздуваться и после распада вакуумно-подобного состояния превращаются в горячие фридмановские вселенные. В одной из таких вселенных живем мы. Эту вселенную, в отличие от других, мы и называем нашей вселенной, или Вселенной с большой буквы (подобно тому, как это имеет место для галактик), а часть нашей Вселенной, охваченную астрономическими наблюдениями, мы по-прежнему, будем называть Метагалактикой.

Каждый из возникающих миров развивается из своей собственной причинно-связанной области. Между собой они никак не взаимодействуют, и это оправдывает название — вселенные. А как же тогда назвать совокупность всех этих вселенных и тот бесконечный в пространстве и времени Мир, из которого они возникают? Иногда этот мир также называют Вселенной (с большой буквы), но тогда возникает путаница с нашей Вселенной. Философы используют понятие «Универсум», а физики пользуются термином «Большая Вселенная» в отличие от мини-вселенных, к которым принадлежит и наша. Можно также называть этот Мир Физическим Миром, или, используя древнее название, — Физическим Космосом.

Подавляющая часть его находится в состоянии сверхплотного «кипящего» вакуума. Из него изредка отпочковываются «пузыри», которые развиваются в самостоятельные вселенные. Если возникающие таким образом вселенные являются замкнутыми, то по окончании стадии расширения они переходят в стадию сжатия и в конце ее, сжавшись до планковской плотности, возвращаются вновь в состояние вакуумной пены (сингулярное состояние), из которого рождаются новые вселенные. В этом смысле история каждой отдельной вселенной напоминает историю водяной капли, испарившейся с поверхности Океана. После долгих «странствий» капля-вселенная возвращается в Океан, гае она покоится в слитом состоянии, в неразрывном Единстве с другими каплями, до тех пор пока не придет срок нового путешествия, и она вновь не покинет порог родного Дома. «У такого мира в целом нет начала и не будет конца. Он вечен и юн одновременно. Это картина взрывающейся Вечности»[146].

В какой мере нарисованная картина соответствует действительности? Поскольку мы приблизились к переднему краю науки, многие вопросы здесь остаются пока неразработанными, многие проблемы не решенными. Но общий контур картины представляется верным. По словам И. Л. Розенталя, этот контур предстает перед нами, «как абрис стройного здания, освещенного полыхающими отблесками далеких ночных зарниц»[148].

Позволим себе небольшое философское отступление. Одной из не вполне ясных проблем является природа физического вакуума, из которого возникает Вселенная. Вспомним, что вакуум представляет собой состояние материи, в котором постоянно рождаются и аннигилируют виртуальные частицы. Но откуда берутся эти частицы? Физики говорят, что — из «ничего». Поэтому они считают, что Вселенная также возникает из «ничего». Крупнейший советский физик и космолог академик Я. Б. Зельдович одну из своих последних статей так и назвал «Рождение Вселенной из “ничего”»[149]. Зельдович подчеркивает, что рождение замкнутого мира из «ничего» не противоречит закону сохранения энергии, поскольку масса вещества такого мира и связанная с нею положительная энергия полностью компенсируется отрицательной гравитационной энергией связи этой массы. Конечно, математически ноль всегда можно представить как сумму положительного и отрицательного количеств. Но физически очень трудно представить себе возникновение чего-либо из ничего. Касаясь этой проблемы, А. М. Мостепаненко замечает, что, когда говорят о возникновении Вселенной из ничего, то, «по сути дела, имеют в виду либо вакуум современной квантовой теории поля, либо еще более глубокий вакуум, природа которого еще не стала предметом изучения современной теории»[150].

Вернемся к виртуальным частицам. На их образование необходимо затратить определенную энергию. Считается, что она берется из «ничего». Физиков это не смущает, поскольку виртуальные частицы честно возвращают заимствованную ими энергию обратно в «ничто». Более того, физический «контролер» не успевает и принципиально не может успеть зафиксировать этот акт заимствования-отдачи энергии. Поэтому исходя из положения «не пойманный — не вор», он считает, что никаких «нарушений» не происходит. Но раз мы знаем о заимствовании энергии, мы должны поинтересоваться, откуда она берется. Невозможно получить что-то из ничего. Поэтому «за пределами» вакуума должно быть НЕЧТО, рождающее виртуальные частицы, НЕЧТО, откуда берется энергия, необходимая на их рождение, и куда она затем возвращается. Это НЕЧТО лежит вне пределов физической реальности, т. е. представляет собой состояние материи, не описываемое современными физическими теориями. Значит, вакуум можно определить как пограничное состояние материи, отделяющее физическую реальность от того мира, который лежит за ее пределами. Так как этот мир — вне физической реальности, то, с точки зрения физики (но только с этой точки зрения!), он, действительно, представляет собою ничто (физическое ничто), хотя и является вполне материальным. Возможность существования иных миров, сложенных из неизвестных нам видов материи, должна приниматься во внимание при обсуждении проблемы внеземного разума, ибо нельзя исключить того, что какие-то формы разумной жизни могут быть связаны с такими видами материи.

Теперь, познакомившись с представлениями о том, как рождаются и начинают расширяться вселенные, мы можем вернуться к нашей Вселенной, которую мы оставили в предыдущем пункте в предверии образования в ней сложной структуры.

2.2.4. Образование структуры Вселенной.

Согласно древним мифам, наш Мир произошел из Хаоса, т. е. из совершенно беспорядочной, бесформенной материи. Таково, в действительности, было вещество Вселенной, образовавшееся после ядерных реакций и рекомбинаций. Может ли бесструктурная материя сама из себя выделить определенные структуры? Современная наука о самоорганизации — синергетика отвечает на этот вопрос положительно. Самоорганизация это и есть появление макроскопически упорядоченных структур в первоначально бесструктурной среде. В результате самоорганизации система переходит из однородного бесструктурного состояния в неоднородное, обладающее определенной структурой («структурированное») состояние. Иными словами, она переходит от Беспорядка к Порядку, от Хаоса к Плану. Начальное и конечное состояния системы — устойчивые, а сам процесс перехода, процесс самоорганизации — существенно неравновесный. Он осуществляется благодаря тому, что в системе возникают микроскопические взаимодействия между частицами, в результате чего их движение становится взаимосогласованным. Таким образом, самоорганизация проявляется как согласованный коллективный процесс.

Нас интересует образование структуры Вселенной из первоначально бесструктурной материи (Космического хаоса). Решающую роль в этом процессе играло тяготение. В однородном веществе всегда существуют хотя бы небольшие флуктуации плотности. При определенных условиях они под действием тяготения начинают уплотняться (мы касались этого вопроса в пункте, посвященном образованию звезд), в результате однородное вещество распадается на отдельные сгустки. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью. Именно гравитационная неустойчивость и ответственна за образование структуры Вселенной.

Во Вселенной первичные флуктуации плотности образовались с самого начала, еще при распаде вакуумно-подобного состояния. Они и явились теми семенами, из которых позднее образовались скопления галактик и отдельные галактики. В процессе эволюции Вселенной до эпохи рекомбинации все неоднородности с малой массой затухают, и в нейтральном веществе, оказавшемся после рекомбинации, остаются только массивные неоднородности. Из них-то и образуются галактики и скопления галактик. Надо отметить, что величина отклонения плотности от среднего значения в этих флуктуациях Δρ/ρ в момент рекомбинации очень мала (это следует из наблюдений реликтового излучения), так что вещество практически является однородным. Но под влиянием гравитации неоднородности начинают уплотняться — развивается гравитационная неустойчивость. Из теории, развитой Я. Б. Зельдовичем и его сотрудниками, следует, что в результате сжатия образуются тонкие плоские образования, которые авторы назвали «блинами». Масса «блинов» порядка массы скоплений галактик. Вероятно, они представляют собой протоскопления. Линии пересечения «блинов» образуют плотные волокна, а пересечение волокон — плотные узлы. Из них образуются сверхскопления и самые богатые скопления галактик. Эволюция «блина» приводит к тому, что в его центральных частях вещество распадается на сгустки порядка массы галактик, а во внешних частях остается нагретый газ, который входит в состав формирующегося скопления.

Разумеется, это очень грубая картина. Существуют и другие варианты теории. Процесс формирования структуры Вселенной до конца не ясен. Но каковы бы ни были детали этого процесса, ясно, что в основе его лежит гравитационная неустойчивость.

Развитие гравитационной неустойчивости во Вселенной означает, что в ней развивается динамический хаос. «Если Вселенная находится в состоянии динамического хаоса, — отмечает И. К. Розгачева, — то ей суждена эволюция с бесконечной сменой структур, которые могут оказаться более совершенными, чем наблюдаемые нами галактики, звезды и живые существа. Встав на эту точку зрения, можно не согласиться с замечанием С. Вайнберга, что “чем постижимей представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной”. Конечно же в идеальном хаосе нет ни смысла, ни гармонии. В космическом же хаосе есть “законы, охраняющие сокровища жизни, которыми украшает себя Вселенная” (Гете)»[152].

2.2.5. Будущее Вселенной.

Как бы интересна ни была история Вселенной — она уже состоялась, и мир, в котором мы живем, существует. А какова дальнейшая судьба этого мира и населяющих его разумных существ, каково будущее Вселенной? В отличие от прошлого, которое оставило свои следы, помогающие воссоздать историю Вселенной, будущее не имеет следов в нашем мире. Изучение его может основываться только на экстраполяции протекающих сегодня процессов. Зная законы механики, мы можем на много лет вперед предвычислять положение планет, предсказывать солнечные затмения и т. д. Точно так же, зная законы развития Вселенной, можно предсказать ее будущее. Чем точнее мы знаем законы эволюции, и чем ближе по времени рассматриваемый момент к современной эпохе — тем точнее будут наши предсказания. Не исключено, что в будущем (в реальной Вселенной, а не в нашей идеальной модели!) возникнут такие условия, при которых проявятся неизвестные нам законы природы. Тогда наши предсказания, основанные на известных сегодня законах, окажутся неточными, а для далекого будущего — неверными. Все это надо иметь в виду при изучении будущего Вселенной. С учетом этих оговорок рассмотрим, какова картина будущего, вытекающая из установленных на сегодня фундаментальных законов физики, какова судьба окружающего нас физического мира.

Мы видели, что будущее развитие Вселенной зависит от плотности материи. Если средняя плотность физической материи меньше или равна критической, Вселенная будет расширяться неограниченно; если она больше критической — расширение сменяется сжатием. Рассмотрим оба сценария в отдельности. Начнем с открытой модели.

В своей увлекательной книге «Как взорвалась Вселенная» И. Д. Новиков приводит слова одного из создателей современной космологии бельгийского астронома Ж. Деметра: «Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров»[153]. Похоже, что аббат Деметр несколько сместил акценты. Наша Вселенная, скорее всего, находится в самом расцвете своего развития. Но несомненно, что в будущем, когда исчерпаются запасы ядерного горючего в звездах, они перестанут светить, превратившись в холодные черные карлики (см. и. 2.1.3). Это произойдет через 10¹⁴ лет. Любопытно, что длительность звездной стадии эволюции Вселенной по порядку величины совпадает с Махакальпой (см. стр. 258).

По окончании звездной стадии галактики будут состоять из остывших звезд и черных дыр, образовавшихся при вспышках сверхновых. Сами галактики также постепенно разрушаются. Это происходит из-за того, что отдельные звезды в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами (очень редко, но все же) приобретают большую скорость, при которой они покидают галактику. Этот процесс аналогичен медленному испарению воды при комнатной температуре. В результате такого «испарения» звезды будут постепенно уходить из галактики, а ее центральная часть будет понемногу сжиматься. В конце концов, около 90 % всех звезд рассеются в пространстве, а оставшиеся в центральной части галактики поглотятся черной дырой, находящейся в галактическом ядре. Процесс завершится через 1019 лет. К концу этого периода Вселенная будет состоять из рассеянных в пространстве остывших звезд, планет и черных дыр с массой от нескольких масс Солнца до 1010 М⊙ . Останется также крайне разреженный межзвездный газ, масса которого составляет около 1 % от всей массы Вселенной. Этой, казалось бы, незначительной составляющей в дальнейшем суждено сыграть важнейшую роль в эволюции Вселенной.

Что же произойдет дальше? Во Вселенной идет очень медленный, но неуклонный процесс разрушения самого вещества, связанный с распадом протона. Время жизни протона порядка 10³² лет. Оно невообразимо велико по сравнению с современным возрастом Вселенной, поэтому протон считается очень стабильной частицей. Но все же оно не бесконечно! Через 10³² лет все вещество звезд и планет полностью распадется. Образующиеся в процессе распада позитроны аннигилируют с электронами, в результате остаются только фотоны и нейтрино. Что касается межзвездного газа, то при его распаде из-за крайней разреженности вещества вероятность столкновения электрона и позитрона очень мала, поэтому аннигиляция не происходит, и, наряду с фотонами и нейтрино, образуется очень разреженная электрон-позитронная плазма.

Остаются еще черные дыры, но основная масса Вселенной после распада вещества будет сосредоточена в излучении (фотонах и нейтрино[154]). В теории горячей Вселенной мы видели, что плотность излучения убывает быстрее, чем плотность вещества. Поэтому через 1033 лет плотность материи будет определяться массою вещества, а не излучения. Вещество в это время будет состоять из электрон-позитронной плазмы и черных дыр, в которых и будет сосредоточена основная масса Вселенной. Но и это еще не конец. Оказывается, черные дыры тоже не вечны. Около черных дыр происходит рождение квантов излучения. Это приводит к уменьшению массы черной дыры — черная дыра «испаряется», превращаясь в фотоны, нейтрино и гравитоны. Процесс этот чрезвычайно медленный, но тоже не бесконечный. Черная дыра с массой 10 М⊙ «испарится» за 1069 лет, а сверхмассивная черная дыра с массой 1010 М⊙ — за 1096 лет. По истечении этого времени все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе. Однако вследствие расширения Вселенной, так как плотность излучения, как уже неоднократно отмечалось, падает быстрее плотности вещества, то уже через 10100 лет плотность излучения станет ничтожно малой по сравнению с плотностью электрон-позитронной плазмы.

Начиная с этого момента дальнейшая трансформация материи во Вселенной прекратится. Вселенная будет состоять из электронов и позитронов, концентрация которых будет уменьшаться с расширением Вселенной. При t = 10100 лет плотность электрон-позитронной плазмы будет соответствовать одной частице на объем, равный 10185 объемам наблюдаемой сегодня Вселенной (!), и эта плотность будет еще убывать со временем. Воображение теряется перед такими величинами! И все же означает ли это, что в той невообразимо далекой Вселенной невозможны никакие формы жизни и разума?

«Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения, — пишет И. Д. Новиков, — все процессы в будущем будут чрезвычайно замедлены. Но это с нашей точки зрения! Ведь и пространственные масштабы тогда будут несравненно грандиознее современных. Напомним, что в самом начале расширения «нашей» Вселенной, когда температуры были, например, 10²⁷ К и происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10^-34 с, а масштабы 10^-24 см. С точки зрения тех процессов, сегодняшние события в «нашей» Вселенной, в том числе наша жизнь, это нечто невероятно протяженное в пространстве и очень медленное. Вселенная не считается с нашими вкусами. В будущем жизнь «нашей» Вселенной будет продолжаться, хотя и в весьма своеобразных формах»[155]. Эго очень поучительное рассуждение, приучающее нас к осознанию относительности наших привычных представлений, когда речь идет о категориях Космоса.

Но не все космологи согласны с таким рассуждением. Они думают, что если жизнь и возможна в таких условиях, то это будет жизнь в темном и очень скучном мире. Поэтому они называют эту эпоху темной, и тогда наша эпоха — эпоха существования биологической жизни — представляется как очень тонкий во времени переходный слой от Инфляции и Большого взрыва к Темному времени[156].

[145] Образование трехмерного мира из многомерного пространства, т. е. уменьшение размерности, происходит благодаря процессу компактификации. Современная теоретическая физика рассматривает такие процессы.

[146] Шаров А.С., Новиков И.Д. Человек, открывший взрыв Вселенной. — М.: Наука, 1989. С.191.

[148] Розенталь И.Л. Проблема начала и конца Метагалактики. — М.: Знание,1985. С. 46.

[149] Зельдович Я.Б. Рождение Вселенной из «ничего» / Вселенная, астрономия, философия. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. С. 39-40.

[150] Мостепаненко А.М. Проблема «возможных миров» в современной космологии // Там же. С. 79-89; см. с. 88.

[152] Там же. С. 57.

[153] Цитируется по книге: Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. С. 162-163.

[154] В рамках этой модели считается, что масса покоя нейтрино равна нулю.

[155] Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. С. 167.

[156] Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. — М.: УРСС, 2002. С. 225-230.