Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

На отметке 380 тысяч лет Вселенная остывает примерно до 3000 К. К этому моменту электроны могут связываться с протонами и образовывать атомы водорода. Как я уже говорил, этот процесс называется рекомбинацией. Вселенная превращается из электрически заряженной плазмы, состоящей в основном из протонов (+) и электронов (—), в электрически нейтральный газ, преимущественно водород: здесь каждый протон успел захватить себе электрон и образовать электрически нейтральный атом водорода. До наступления этой эпохи фотоны постоянно сбивались с траектории, взаимодействуя с электрически заряженными частицами, то есть протонами и электронами, перемещаясь хаотичной «походкой пьяницы». Далеко улететь такие фотоны не могли, поскольку постоянно сбивались с курса. После эпохи рекомбинации фотоны смогли беспрепятственно пролетать по прямой большие расстояния. Благодаря такому переходу к свободным фотонам, эту эпоху мы уже можем непосредственно наблюдать: от нее и осталось реликтовое излучение.

На отметке 1 миллиард лет должно было начаться формирование галактик. Квазары с большим красным смещением, рассмотренные в главе 16, возникли в молодых галактиках, которые заметны в чуть более ранний период.

Сегодня Вселенной 13,8 миллиарда лет.

К отметке 22 миллиарда лет Солнце покинет главную последовательность звезд и станет белым карликом. Галактика Туманность Андромеды столкнется с галактикой Млечный Путь.

К отметке 850 миллиардов лет Вселенная остынет до постоянной температуры в ходе процесса, описанного Гиббонсом и Хокингом. Как я рассказывал в главе 23, согласно наблюдениям, Вселенная наполнена темной энергией, давление которой равно по величине плотности энергии, но является отрицательным (динамически эквивалентно космологической постоянной Эйнштейна). По мере того как материя во Вселенной становится все более разреженной в результате расширения, а уровень темной энергии тем временем остается прежним, Вселенная все сильнее попадает под влияние темной энергии, и этот процесс продолжится в будущем. Следовательно, геометрия Вселенной в будущем должна напоминать геометрию деситтеровского пространства, пространственно-временную воронку. Она должна вечно расширяться. Две галактики, между которыми сегодня возможна связь, будут все быстрее и быстрее разлетаться в стороны. В конце концов пространство между галактиками станет расширяться так быстро, что свет не сможет преодолеть постоянно растущее расстояние между ними. Возникнут горизонты событий. Далекая галактика будет выглядеть в точности так, словно она падает в черную дыру. Если инопланетяне из далекой галактики пошлют нам сигнал «ДЕЛА ИДУТ ВПОЛНЕ ХОРОШО», то нам покажется, что они послали «ДЕЛА И…Д…У…Т…». Конец сообщения, «ВПОЛНЕ ХОРОШО», мы никогда не получим. События, которые произойдут в далекой галактике в последующие времена, окажутся за пределами нашего горизонта и мы их никогда не увидим (см. рис. 23.2).

Хокинг показал, что горизонты событий испускают хокинговское излучение. Гиббонс и Хокинг вычислили, что в далеком будущем в деситтеровском пространстве любой наблюдатель будет видеть возникающее в результате тепловое излучение, вполне уместно названное «излучение Гиббонса – Хокинга». Это тепловое излучение, которое станет заметно в нашей Вселенной в будущем, будет обладать характерной длиной волны (λмакс) примерно в 22 миллиардов световых лет. Длина РИ и далее будет увеличиваться по мере экспоненциального расширения Вселенной, удваиваясь в размерах каждые 12,2 миллиарда лет. Через 850 миллиардов лет с рождения Вселенной тепловое излучение РИ будет иметь длину волны свыше 22 миллиардов световых лет и станет несущественным по сравнению с излучением Гиббонса – Хокинга, льющимся с горизонтов событий. С этого момента Вселенная прекратит остывать, ее температура установится на уровне Гиббонса – Хокинга, составив примерно 7 × 10–31 К. Это очень холодно, но все равно выше абсолютного нуля.

На самом деле, эти идеи проверяемы. Излучение Гиббонса – Хокинга возникает еще на раннем инфляционном этапе существования Вселенной. В него входит как электромагнитное, так и гравитационное излучение. Если такое гравитационное излучение со времен зарождения Вселенной когда-нибудь удастся обнаружить в виде отпечатков, заметных в поляризации РИ (см. главу 23), это, на мой взгляд, станет важным эмпирическим доказательством в пользу существования механизма хокинговского излучения. Такие гравитационные волны не исходят от движущихся тел, как зафиксированные в проекте LIGO, а обусловлены совершенно иным, хокинговским механизмом – квантовым процессом. Подобное открытие будет по-настоящему новым и захватывающим.

Излучение Гиббонса – Хокинга, которое, вероятно, предстоит увидеть в далеком будущем, в конечном итоге будет пагубно для разумной жизни. Фримен Дайсон однажды продемонстрировал, что разумная жизнь может неопределенно долго продержаться на конечном источнике энергии, если будет возможность сбрасывать избыточное тепло в постоянно остывающую термостатическую «баню». Если бы я показывал кино при температуре 300 К, используя фотоны видимого света, то на показ кино ушло бы определенное количество энергии. Но допустим, что мы замедлим все происходящее в кинотеатре. Допустим, фильм идет в инфракрасном диапазоне, а длина волны инфракрасных фотонов вдвое больше, чем у фотонов видимого света. Я мог бы показать то же самое кино, затратив вполовину меньше энергии (каждый фотон унесет вдвое меньше энергии), но само кино продлится вдвое дольше (поскольку волна у фотона вдвое длиннее). Длины волн фотонов теплового излучения в таком кинотеатре также будут вдвое длиннее, поэтому там установится температура не 300 К, а 150 К. Разумная жизнь может экономить энергию, но мышление и коммуникации становятся при этом все М.…Е.…Д.…Л.…Е.…Н.…Н.…Е.…Е. Можно даже продумать бесконечное количество мыслей, располагая ограниченным источником энергии, но при этом придется замедлять и замедлять мышление. Это реализуемо, если остается возможность сбрасывать любое избыточное тепло (обязательно возникающее при биологических процессах, в частности при мышлении) в постоянно остывающий микроволновый фон, время от времени впадая в анабиоз и со временем существуя на все более низких температурах. Пока РИ продолжает остывать, приближаясь к абсолютному нулю, это работает. Но к отметке 850 миллиардов лет Вселенная достигнет термодинамического равновесия при температуре Гиббонса – Хокинга, после чего эта температура не изменится. После этого не получится переходить в более низкотемпературный режим деятельности ради сохранения энергии. Потребуются технологии заморозки, которые быстро истощат всю оставшуюся энергию. Более того, другие галактики унесутся за горизонты событий, и у вас в распоряжении останется лишь конечный объем запасенной энергии. Разумная жизнь будет испытывать дефицит энергии и в конечном итоге вымрет.

Есть еще одна беда. На отметке 1014 лет звезды угаснут – к этому времени последние, самые мелкие звезды истратят запасы своего водородного топлива и погибнут. Во Вселенной стемнеет. Останутся только звездные огарки – белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Возможно, вокруг них еще будут вращаться последние планеты. Но к отметке 1017 лет произойдет достаточно много тесных контактов между звездами, при которых планеты будут сорваны с орбит и выброшены в межзвездное пространство.