Гиперпространство. Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение - Митио Каку

Рассел писал эти строки в 1923 г., за несколько десятилетий до начала космических полётов. Смерть Солнечной системы владела его помыслами как категоричный вывод из законов физики. В условиях ограниченности техники и технологии того времени это депрессивное заключение казалось неизбежным. С тех пор мы достаточно узнали об эволюции звёзд, чтобы понять: наше Солнце в конце концов станет красным гигантом, и Землю поглотит ядерный пожар. Вместе с тем мы разобрались в азах космических путешествий. Во времена Рассела сама мысль о больших кораблях, способных доставить человека на Луну или далёкие планеты, казалась безумием. Но благодаря экспоненциальному развитию техники и технологии перспектива гибели Солнечной системы, как мы уже видели, перестала внушать человечеству ужас. К тому времени, как наше Солнце превратится в красный гигант, человечество будет или погребено под прахом ядерной войны, или найдёт себе пристанище среди звёзд.

Тем не менее нетрудно распространить «непреходящее отчаяние» Рассела не только на гибель нашей Солнечной системы, но и на смерть всей Вселенной. В последнем случае никакой космический ковчег не спасёт человечество. Вывод кажется неопровержимым: физики предсказывают, что все разумные формы жизни, какими бы развитыми они ни были, неминуемо погибнут вместе со Вселенной.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна Вселенная будет либо продолжать расширяться вечно в направлении «космического всхлипа»,[25] и в этом случае температура во Вселенной достигнет почти абсолютного нуля, либо сократится в ходе коллапса, Большого сжатия. Вселенная погибнет или «во льду», раскрывшись, или «в огне», схлопнувшись. В любом случае цивилизация III типа обречена, потому что температуры окажутся близкими либо к абсолютному нулю, либо к бесконечности.

Для того чтобы выяснить, какая участь нас ждёт, космологи с помощью уравнений Эйнштейна занялись вычислением общего количества материи-энергии во Вселенной. Так как материя в формуле Эйнштейна определяет степень искривления пространства-времени, нам необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной, чтобы определить, достаточно ли материи и энергии для того, чтобы гравитация дала обратный ход космическому расширению после изначального Большого взрыва.

Критический показатель средней плотности материи определяет окончательную участь Вселенной и всей разумной жизни в ней. Если средняя плотность Вселенной менее 10–29 г/см³, что соответствует 10 мг вещества, распространённым в объёме, равном объёму Земли, тогда Вселенная будет продолжать расширяться вечно, пока не станет однообразно холодным, безжизненным пространством. Если же средняя плотность превышает эту величину, тогда материи достаточно для того, чтобы сила гравитации во Вселенной придала обратное направление Большому взрыву и Вселенная пала жертвой невообразимо высоких температур Большого сжатия.

В настоящее время ситуация с экспериментами сложная. Астрономам известно несколько способов определения массы галактики, а затем и массы Вселенной. Первый из них — подсчёт звёзд в галактике и умножение полученного числа на среднюю массу каждой звёзды. Вычисления, проведённые таким трудоёмким способом, показывают, что средняя плотность меньше критической величины и что Вселенная будет расширяться вечно. Проблема этих вычислений заключается в том, что в них не учитывается материя, которая не светится (например, пылевые облака, чёрные дыры, холодные звёзды-карлики).

Есть и второй способ выполнения вычислений, на этот раз с применением законов Ньютона. Вычисляя время, которое требуется звёздам для перемещения по галактике, астрономы используют законы Ньютона для определения общей массы галактики. Точно так же сам Ньютон определил массу Луны и Земли через время, которое требуется Луне для прохождения по орбите вокруг Земли.

Проблему представляет несоответствие этих способов вычислений. Астрономам известно, что до 90 % массы галактики имеет форму скрытой, невыявляемой «недостающей массы», или «тёмного вещества», которое не светится, но имеет вес. Даже если включить в расчёты приблизительную величину для несветящегося межзвёздного газа, законы Ньютона предполагают, что галактика намного тяжелее, чем представляется согласно вычислениям по количеству звёзд.

Пока астрономы не решат проблему «недостающей массы» или «тёмного вещества», мы не в состоянии ответить на вопрос, будет ли Вселенная сокращаться, превратится в пылающий шар и схлопнется или же она будет расширяться вечно.

Предположим на минуту, что средняя плотность Вселенной меньше критической величины. Поскольку содержание материи-энергии определяет искривлённость пространства-времени, мы обнаруживаем, что материи-энергии недостаточно, чтобы сделать обратимым коллапс Вселенной. В таком случае Вселенная будет беспрепятственно расширяться, пока температура в ней не достигнет почти абсолютного нуля. При этом возрастает энтропия (которая измеряет степень хаоса или беспорядка во Вселенной). В конце концов Вселенную ждёт энтропийная смерть.

Английский физик и астроном сэр Джеймс Джинс ещё на рубеже нынешнего века писал об окончательной гибели Вселенной, называя это явление «тепловая смерть»: «Второй закон термодинамики предполагает, что конец у Вселенной может быть только один — „тепловая смерть“ при температурах настолько низких, что жизнь при них невозможна»{131}.

Для того чтобы понять, как происходит энтропийная смерть, важно знать три закона термодинамики, которые управляют всеми химическими и ядерными процессами на Земле и звёздах. Британский учёный и писатель Чарльз Сноу нашёл оригинальный способ запоминания этих трёх законов:

1. Нельзя победить (т. е. нельзя получить что-то без ничего, так материя и энергия сохраняются).

2. Нельзя сыграть вничью (нельзя вернуться в прежнее энергетическое состояние, поскольку беспорядок, энтропия всегда нарастают).

3. Нельзя выйти из игры (потому что абсолютный нуль недостижим).

Для смерти Вселенной наиболее важен второй закон, который гласит, что любой процесс даёт прирост количества беспорядка (энтропии) во Вселенной. В сущности, второй закон термодинамики — неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Представьте себе, как добавляете сливки в чашку с кофе. Порядок (кофе и сливки в отдельной посуде) естественным образом сменяется беспорядком (произвольно смешанные сливки и кофе). Но процесс, обратный энтропии, — восстановление порядка из хаоса — чрезвычайно сложен. «Разделить» смешанные жидкости и поместить их в разную посуду невозможно без сложных химических преобразований. Точно так же горящая сигарета наполняет дымом пустую комнату и увеличивает в этой комнате энтропию. Порядок (табак и бумага) снова превращается в беспорядок (дым и пепел). Процесс, обратный энтропии, т. е. втягивание дыма в сигарету и превращение пепла в табак, невозможен даже в лучшей химической лаборатории планеты.