Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

отправляются в корзину, а остальным приходится ждать, когда стандартная модель всё-таки даст сбой.

Учёные упорно продолжают искать какие-либо признаки распада протона. Разумеется, если учитывать огромную потенциальную продолжительность его жизни, нет никакого смысла изолировать в лаборатории отдельный протон и просто наблюдать его. Чтобы увеличить шансы отыскать протон в состоянии распада, учёные наблюдают одновременно много его собратьев.

Вечность со сроком годности

Не будем забывать, что время жизни квантового объекта вроде частицы – вопрос статистический. Если мы говорим, что частица существует один год, это значит, что с вероятностью 50 % она через год распадётся. Если она не распалась в первый год, вероятность распасться на втором – по-прежнему 50 %, и так далее.

Поэтому, хотя время жизни протона может быть невероятно велико, есть вероятность – очень малая – того, что индивидуальный протон проживёт всего пять минут и тут же распадётся. Если вы будете наблюдать огромное количество протонов, скажем, ёмкость размером с плавательный бассейн, заполненную объединёнными в молекулы жидкости атомами, и если вы знаете, каковы признаки распада протона (таинственное появление быстродвижущихся позитронов или чего-то похожего), то у вас есть шанс заметить такой распад. Именно этим физики и занимаются уже давно, пока – без малейших признаков успеха.

Учёные, однако, не обескуражены отсутствием экспериментальных подтверждений распада протона и думают, что его наблюдение – просто вопрос времени. Но что будет значить подтверждение этого для будущего Вселенной?

Через несколько сотен триллионов лет все звёзды истратят своё ядерное горючее. Лишённая их света Вселенная погрузится во мрак, в вечную непроглядную ночь. В этой темноте останутся только остывающие мёртвые звёзды. Но если мы раздвинем шкалу времени до 1040 лет, огромного промежутка времени после того, как погаснет последняя звезда, то распад протонов наконец даст о себе знать. Вещество начнёт исчезать. Блуждающие во тьме чёрные карлики будут испаряться, превращаясь в простые частицы и свет. Через промежуток времени в несколько времён жизни протона, они испарятся полностью, превратившись в ничто. После завершения распада протонов настанет истинный конец эпохи материи: во Вселенной не останется ничего, кроме элементарных частиц и чёрных дыр.

Конечно, стопроцентной уверенности в том, что протон распадается, нет. Физики считают, что существуют веские причины для отсутствия вечной устойчивости протонов – причины, связанные с лакунами в наших теориях квантовой физики. Но даже если окажется, что протоны не распадаются, это вовсе не значит, что Вселенная никогда не изменится.

В мёртвых недрах остывших звёзд атомы будут сжаты колоссальными силами гравитации. В очень, очень редких случаях их тесная близость будет вести к холодному термоядерному синтезу – квантовый туннельный эффект сплавит атомные ядра в новые, более тяжёлые элементы. Очень и очень медленно этот процесс будет продолжаться, пока все атомы не сожмутся в ядра железа-56. В отсутствие распада протонов, через непредставимо огромный промежуток времени – около 101500 лет – всё вещество Вселенной навечно превратится в железо.

Вечны ли чёрные дыры?

Если протоны всё-таки распадаются и когда-нибудь все мёртвые звёзды бесследно растворятся во тьме, в этом мраке ещё будут таиться другие массивные тела. Чёрные дыры, многие из которых образуются в результате коллапса звёзд при взрывах сверхновых, останутся нечувствительными к протонному распаду. Их вещество замкнуто в бесконечно плотных недрах этих монстров, в сконцентрированной в точку массе, известной как сингулярность – так называют определяемые физическими теориями области, в которых решения уравнений обращаются в бесконечность.

Физики не думают, что ядра чёрных дыр действительно представляют собой сингулярности, – они считают, что бесконечностям, которые появляются в сингулярностях, не должно быть места в теориях реальной Вселенной: что-то не допускает их существования. Что до чёрных дыр, предполагается, что действия квантовых сил в конечном счёте не позволяют образоваться точке с бесконечной плотностью, но колоссальное гравитационное притяжение чёрной дыры имеет место. Вещество, которое падает в чёрную дыру, обречено там оставаться, а сами чёрные дыры будут существовать ещё долго после того, как последняя звезда растворится во мраке Вселенной.

Но будут ли чёрные дыры существовать вечно? Суждено ли нашей Вселенной в далёком будущем быть океаном элементарных частиц, плотность которого будет непрерывно уменьшаться и в котором будут разбросаны только чёрные дыры? В общей теории Эйнштейна они действительно вечны – и вечно способны расти, пожирая вещество. Раз падение вещества внутрь чёрной дыры необратимо и ни вещество, ни излучение никогда не выйдут обратно за её пределы, чёрные дыры никогда не могут уменьшить свою массу.

По крайней мере, все думали так до начала 1960-х, когда молодой исследователь по имени Стивен Хокинг начал размышлять о природе чёрных дыр. В центре его внимания была не сингулярность, место, не поддающееся математическому исследованию, но область вокруг сингулярности, называемая горизонтом событий.

О том, что такое горизонт событий, было известно ещё со времён самых ранних математических моделей чёрных дыр.

Расположенный на определённом расстоянии от сингулярности, он представляет собой «границу безвозвратности»: всё, что извне его пересекает, обречено силами гравитации на падение в сингулярность. Ничто – никакое сопротивление, никакие ракетные двигатели – не в силах этому помешать.

На горизонте событий могут твориться странные вещи. Искривление пространства и времени ведёт к тому, что свет неспособен выйти из-под горизонта наружу, но на самом горизонте свет может удерживаться в неподвижности. Изображения объектов, упавших в чёрную дыру, то есть последний свет, испущенный ими при пересечении границы бездны, как бы запечатлеваются на горизонте событий.

Хокинг, глубоко понимавший теорию относительности, задумался о квантовомеханических процессах, происходящих на горизонте событий. Как на них повлияло бы присутствие «границы безвозвратности»? Вывод учёного оказался крайне неожиданным: из квантовой механики следовало, что чёрные дыры излучают, преобразуя массу сингулярности в слабое свечение на горизонте событий. Влияние излучения Хокинга на долговременную устойчивость чёрных дыр оказалось разительным. Но чтобы понять, откуда берётся это излучение, мы должны сначала поговорить о самом причудливом и сложном понятии квантовой физики: о запутанности.

Нет дыма без огня. Не бывает дождя без облаков. Оба приведённых примера отражают всего лишь случаи корреляции явлений. Но, похоже, даже учёным приходится постоянно напоминать, что корреляция не равна причинно-следственной связи. Из туч далеко не всегда идёт дождь, а огонь может быть и бездымным (смотря что горит). В некоторых случаях корреляции ни одно из явлений не является причиной другого. Известный пример такой ситуации – число преступлений в городе выше, когда в нём больше количество полицейских. Значит ли это, что преступления совершают полицейские, или наоборот, что рост числа преступлений ведет к росту количества полицейских? На деле – ни то, ни другое: оба параметра связаны с численностью населения в городе. Чем больше город, тем больше в нём совершается преступлений и тем больше становится полицейских. Численность