Брайан Грин – До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной (страница 96)
Осторожную попытку рассмотреть подобное предположение предпринял Стивен Карлип в: Steven Carlip, "Transient Observers and Variable Constants, or Repelling the Invasion of the Boltzmann's Brains", Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 06 (2007): 001. Обратите внимание: единственное возможное изменение, которое мы будем рассматривать, это изменение величины темной энергии. Как говорится в этой главе, только в конце 1990-х гг. астрономические наблюдения убедили физическое сообщество, что отказ Эйнштейна от космологической постоянной в 1931 г. («Прочь космологический член!») был преждевременным. Кроме того, преждевременным было отнесение космологической постоянной к разряду «постоянных».
Вполне возможно, что величина эйнштейновского космологического члена изменяется со временем, и эта возможность, как мы увидим, повлечет за собой глубокие следствия для будущего.
Другой взгляд на будущее разума вы можете найти в: Дойч Д. Начало бесконечности. — М.: Альпина нон-фикшн, 2020.
Физическая эсхатология, физика далекого будущего, привлекает обычно меньше внимания, чем физика далекого прошлого. Тем не менее на эту тему было немало исследований. Обширный список ссылок содержится в: Milan M. Cirkovic, "Resource Letter: PEs-1, Physical Eschatology", American Journal of Physics 71 (2003): 122. В последующей дискуссии большое значение имеют знаковая статья Фримена Дайсона: Freeman Dyson, "Time without end: Physics and biology in an open universe", Reviews of Modern Physics 51 (1979): 447-60, и статья Фреда Адамса и Грегори Лафлина: Fred C. Adams and Gregory Laughlin, "A dying universe: The long-term fate and evolution of astrophysical objects", Reviews of Modern Physics 69 (1997): 337-72, в которой тема развивается дальше и куда вошли новые результаты по планетной, звездной и галактической динамике, о которых рассказывается также в их прекрасной популярной книге: The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity (New York: Free Press, 1999). Начало современному этапу развития темы положили статьи: M. J. Rees, "The collapse of the universe: An eschatological study", Observatory 89 (1969): 193-98, и Jamal N. Islam, "Possible Ultimate Fate of the Universe", Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 18 (March 1977): 3–8. I.-J. Sackmann, A. I. Boothroyd, and K. E. Kraemer, "Our Sun. III. Present and Future", Astrophysical Journal 418 (1993): 457; Klaus-Peter Schroder and Robert C. Smith, "Distant future of the Sun and Earth revisited", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 386, no. 1 (2008): 155-63. Знающий читатель отметит, что принцип запрета Паули должен был уже сыграть определенную роль в эволюции Солнца. Перед запуском гелиевого синтеза в ядре Солнца плотность его должна была быть достаточно велика, чтобы давление, обусловленное вырождением электронов в соответствии с принципом Паули, стало значимым. В самом деле упомянутая мною «зрелищная, но короткая вспышка», отмечающая переход к гелиевому синтезу, возникает из-за особых свойств газа из вырожденных электронов, населяющих ядро (этот газ не расширяется и не остывает в ответ на тепло, вырабатываемое при запуске гелиевого синтеза, что приводит к колоссальному разгону ядерной реакции, не слишком сильно отличающейся от действия гелиевой бомбы). Alan Lindsay Mackay, The Harvest of a Quiet Eye: A Selection of Scientific Quotations (Bristol, UK: Institute of Physics, 1977): 117.
Первоначальное признание ключевой роли принципа запрета Паули в строении белых карликов было сделано Р. Фаулером: R. H. Fowler, "On Dense Matter", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 87, no. 2 (1926): 114-22. Важность релятивистских эффектов признал также Субраманьян Чандрасекар в: Subrahmanyan Chandrasekhar, "The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs", Astrophysical Journal 74 (1931): 81–82. Его результат, известный как предел Чандрасекара, показывает, что сжатие любой звезды с массой меньшей, чем примерно 1,4 массы Солнца, будет точно так же остановлено сопротивлением, возникающим из-за принципа запрета Паули. Впоследствии выяснилось, что в более массивных звездах сила сжатия сможет заставить электроны сливаться с протонами с образованием нейтронов. Этот процесс позволяет звездам сжиматься и дальше, но в какой-то момент нейтроны окажутся упакованы так плотно, что принцип запрета Паули снова вступит в игру — и, опять же, остановит дальнейшее сжатие. Результат — нейтронная звезда.
Хотя в среднем расстояния между галактиками растут, существуют галактики, которые располагаются достаточно близко друг к другу, чтобы их взаимное гравитационное притяжение заставляло их сближаться. Мы еще поговорим о том, что именно так обстоят дела с галактиками Млечный Путь и туманность Андромеды. S. Perlmutter et al., "Measurements of Q and Л from 42 High-Redshift Supernovae", Astrophysical Journal 517, no. 2 (1999): 565; B. P. Schmidt et al., "The High-Z Supernova Search: Measuring Cosmic Deceleration and Global Curvature of the Universe Using Type IA Supernovae", Astrophysical Journal 507 (1998): 46.
Для полноты отметьте, что все объяснения ускоренного пространственного расширения, воспринимаемые всерьез, указывают на гравитацию. Но делают это они, в широком смысле, двумя разными способами. Либо поведение силы тяготения на космологических расстояниях отличается от того, что мы ожидаем увидеть на основании описаний Ньютона и Эйнштейна, либо источники тяготения отличаются от того, что мы ожидаем увидеть на основании традиционных представлений о веществе и энергии. Хотя оба подхода имеют право на существование, второй получил более полное развитие и нашел более широкое применение (при объяснении не только ускоренного расширения пространства, но и деталей в наблюдаемом реликтовом космическом излучении), так что именно этому подходу мы и будем следовать.
Плотность темной энергии составляет примерно 5 х 10–10 джоулей на кубический метр, или примерно 5 х 10–10 ватт-секунд на кубический метр. Для горения лампочки 100 Вт в течение одной секунды требуется в 2 х 1011 раз больше энергии, чем содержится темной энергии в одном кубическом сантиметре. Таким образом, этой энергии хватит на горение лампочки 100 Вт на протяжении около 5 х 10–12 секунды, или пяти триллионных долей секунды.
Если величина темной энергии не меняется во времени, то сама эта энергия идентична космологической постоянной Эйнштейна — отчаянному средству, которое Эйнштейн ввел в свои расчеты в 1917 г., когда понял, что уравнения общей теории относительности не в состоянии объяснить общепринятое мнение о том, что на больших масштабах Вселенная статична. Проблема, с которой столкнулся Эйнштейн, состояла в том, что статика требует равновесия, но гравитация, судя по всему, работает только в одном направлении. При отсутствии уравновешивающей силы статичная Вселенная казалась невозможной. К счастью, затем Эйнштейн понял, что с введением одного нового члена — той самой космологической постоянной — в уравнения общая теория относительности разрешает также отталкивающую гравитацию, которая способна уравновесить обычную притягивающую гравитацию и делает статичную Вселенную возможной. (Эйнштейн не учел, что такое равновесие неустойчиво — небольшое изменение размеров статичной Вселенной, ее увеличение или уменьшение, привело бы к нарушению баланса и, соответственно, ее расширению или сжатию.) Однако всего через десять с небольшим лет Эйнштейн узнал, что Вселенная расширяется. Осознав это, Эйнштейн совершил знаменитый шаг — исключил космологическую постоянную из своих уравнений. Но Эйнштейн выпустил джинна отталкивающей гравитации из бутылки общей теории относительности. Со временем отталкивающей гравитации суждено было сослужить космологии большую службу, обеспечив распирающее давление в момент Большого взрыва, а после этого предложив объяснение ускоренного расширения пространства. Как говорили многие, из всего этого видно, что даже неудачные идеи Эйнштейна хороши.
Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, and Nevin N. Weinberg, "Phantom Energy and Cosmic Doomsday", Physical Review Letters 91 (2003): 071301. Abraham Loeb, "Cosmology with hypervelocity stars," Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 04 (2011): 023.
Энергия внутри Земли — тоже остаток тепла, произведенного, когда гравитационное притяжение смяло облако пыли и газа в нарождающуюся планету. Кроме того, тепло вырабатывается при вращении Земли, потому что при движении возникают напряжения в глубоких геологических слоях, которым для поддержания вращения с общей скоростью необходимо постоянное воздействие. [Это связано с приливным воздействием Луны и Солнца. — Прим. науч. ред.] Fred C. Adams and Gregory Laughlin, "A dying universe: The long-term fate and evolution of astrophysical objects", Reviews of Modern Physics 69 (1997): 337-72; Fred C. Adams and Greg Laughlin, The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity (New York: Free Press, 1999), 5052. Аналогичные соображения применимы к планетам и спутникам, которые всегда располагались слишком далеко от своей звезды, чтобы на их поверхности сложились условия, благоприятные для возникновения жизни. Внутренние процессы в таких телах, их астрогеология, способны вырабатывать энергию, достаточную для поддержания жизни глубоко под поверхностью. Первый кандидат в эту категорию — спутник Сатурна Энцелад. Он находится так далеко от Солнца, что его ледяная поверхность — неподходящий дом для жизни. Но разнонаправленные гравитационные силы, обусловленные притяжением Сатурна и других его спутников, слегка растягивают Энцелад в одном направлении и сжимают в другом, создают напряжения и деформации, которые разогревают его изнутри, плавят лед и, возможно, обеспечивают существование некоторого объема жидкой воды. Нельзя исключить, что когда-нибудь мы просверлим маленькое отверстие в ледяной корке Энцелада, спустим туда зонд — и окажемся лицом к лицу с аборигенным, хотя и водным, обитателем Энцелада.