Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
Будущее
История Вселенной насчитывает 15—18 миллиардов лет. А сколь продолжительно предстоящее ей будущее? Простирается ли оно неограниченно во времени или у будущего тоже есть предел длительности?
Теория Фридмана предлагает четкий рецепт для получения ответа на этот вопрос. Она устанавливает связь между динамикой Вселенной и ее будущим. Динамика же допускает две возможности: либо неограниченное расширение, либо расширение, сменяющееся сжатием. В первом случае время, очевидно, длится неограниченно и не имеет конца. Во втором случае сжатие сменяет расширение через конечное время и само затем продолжается ровно столько, сколько до этого длилось расширение. При сжатии плотность космического вещества возрастает со временем и в определенный момент достигает бесконечно большого значения. Так достигается новая сингулярность. Полное время жизни Вселенной конечно, и в этом случае шкала времени ограниченна. Она заключена в пределах между двумя сингулярностями, начальной и конечной.
Теория указывает нам, как определить судьбу Вселенной по современным ее чертам. Что же нужно наблюдать и измерять, чтобы узнать будущее?
Мы уже говорили (в предыдущей главе), что космологическое расширение — это движение против силы тяготения. С точки зрения механики в нем много общего с движением подброшенного вверх мяча или запущенной в космос ракеты. Мяч, взлетев на какую-то высоту, падает затем на землю. Это означает, что его начальная скорость невелика и тяготение берет над ней верх, возвращает тело назад. Начальная скорость ракеты может быть большой, и если она превышает некоторое значение — вторую космическую скорость, то ракета сможет навсегда оторваться от Земли и уже никогда назад не вернется. Чтобы оторваться от Земли, ракете нужна большая скорость, а большая скорость — это большая кинетическая энергия. Для отрыва от Земли кинетическая энергия должна превышать энергию тяготения, связывающего ракету с Землей.
То же и с галактиками: все дело в их кинематической энергии. Достаточна ли она, чтобы преодолеть действующее на галактику тяготение? О кинематической энергии можно судить по наблюдаемым скоростям разбегания галактик. А об энергии тяготения — по массам, создающим притяжение. Массы же определяются плотностью космической среды. Чем больше плотность, тем сильнее тяготение.
Так что для нахождения динамики Вселенной, а с ней и продолжительности будущего, нужно уметь измерять скорости галактик и плотность космической среды. Первое не составляет большого труда: о скоростях мы судим по закону Хаббла. Постоянная Хаббла, правда, определена не слишком точно. Но в действительности гораздо больше неопределенности в плотности. В этом главная трудность задачи.
Плотность не поддается непосредственному определению, мы судим о ней по косвенным признакам. Например, по яркости излучения далеких галактик и скоплений.
Подсчитывая галактики в больших объемах (размером 300 миллионов световых лет и более), содержащих много галактик и скоплений, находят их среднюю концентрацию в пространстве. А зная массы галактик, можно оценить и среднюю плотность вещества в таких объемах. По современным данным эта плотность составляет 3 • 1028 кг/м3.
Правда, астрономические оценки масс не очень надежны. Задача осложняется тем, что помимо светящегося вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Это скрытые массы, о которых мы уже упоминали, когда говорили о невидимых коронах галактик
(см. главу 10). Скрытые массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают связанную с ними среднюю плотность, и не исключено, что она может быть в 5—10 раз больше усредненной плотности галактик.
Большинство специалистов склоняется к тому мнению, что даже с учетом скрытых масс космическая плотность еще не достаточна, чтобы остановить разбегание галактик. Но, конечно, окончательное решение и последнее слово принадлежат не большинству, а более точным измерениям. И остается надеяться, что когда-нибудь они станут, наконец, возможными.
Для всех, вместе с тем, очевидно, что нет веских причин, чтобы полностью исключить и более высокую оценку космической плотности, которая означала бы смену расширения сжатием. Если остановка расширения и произойдет, то не раньше чем еще через 5 — 10 миллиардов лет. При этом полный «жизненный цикл» Вселенной составил бы примерно 30 — 60 миллиардов лет.
Стоит сравнить последнюю величину с предсказываемой физикой продолжительностью жизни Солнца. Оно может еще светить с нынешней мощностью не меньше 10 миллиардов лет. Так что если Вселенной предстоит в дальнейшем перейти от расширения к сжатию, наше дневное светило до этой поры вполне может дожить в более или менее неизменном виде.
Пульсации и связь времен
Теоретическая возможность новой сингулярности в будущем Вселенной послужила основанием для предположения о том, что начальная сингулярность, с которой началось космологическое расширение, была в то же время и заключительным событием в прежнем «цикле жизни» Вселенной. И все ее существование — это череда циклов расширения и сжатия. Такую гипотезу развивает советский физик академик М. А. Марков.
Предполагается, что Вселенная способна пройти, так сказать, сквозь сингулярность при сжатии и родиться вновь. Родившись, она начинает расширяться, а пройдя максимум расширения, начинает сжиматься, достигает новой сингулярности, проходит через нее и т. д. Будущее такой осциллирующей, или пульсирующей, Вселенной измеряется неограниченным, бесконечным числом космических жизненных циклов, последовательно сменяющих друг друга. Неограниченно и бесконечно также и прошлое осциллирующей Вселенной; нынешнее расширение — отнюдь не первое в общей ее истории. В беспредельно далекое прошлое уходит череда уже происшедших пульсаций; беспредельно большое их число предстоит и в будущем.
Но «помнит» ли Вселенная о том, что было с ней раньше, хотя бы в предыдущем цикле расширения — сжатия? М. А. Марков полагает, что в сингулярности Вселенная испытывает полное обновление и очищение В этом «чистилище»
все следы прошлого безжалостно стираются. Вселенная рождается каждый раз, ничего не помня о былом.
Если так, то, наблюдая очередной цикл в жизни Вселенной, мы не увидим в нем ничего, что говорило бы о ее предыдущих циклах. При этом, пожалуй, вряд ли можно говорить о непрерывном и простирающемся неограниченно в прошлое и будущее течении времени. «Связь времен» прерывается в каждой из следующих друг за другом сингулярностей. Так что каждый новый цикл — это новая жизнь Вселенной с новым ее временем.
В современной космологической модели осциллирующей Вселенной можно уловить нечто общее с тем взглядом на время, которого держались Платон и другие мыслители Древней Греции. У них время тоже было цикличным; оно бежало по кругу и один его цикл не отличался от другого. Продолжительность цикла, называвшаяся тогда «великим годом», оценивалась в 30 тысяч лет. В нынешнем своем воплощении «великий
год» гораздо длиннее — до 30 — 60 миллиардов лет, а то и больше.
Теоретически мыслим и другой вариант пульсирующей Вселенной: он допускает последовательное увеличение размаха осцилляций от цикла к циклу. В этом случае циклы отличаются друг от друга, и амплитудой своего расширения они указывают номер очередного цикла. Такая Вселенная «помнит» всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила. Настоящее не теряет в этом случае сплошной связи с прошлым; время непрерывно продлевается сквозь сингулярности от цикла к циклу.
