Первые три гуголплекса лет

История Вселенной от нуля секунд до несчитанных времён
12.08.18
Олег Фея    

В своей знаменитой книге «Первые три минуты» физик Стивен Вайнберг подробно описал процессы, имевшие место во Вселенной сразу же после Большого взрыва. Во многом наши знания о ранней Вселенной были получены благодаря реликтовому излучению — электромагнитному эху Большого взрыва, пронизывающему пространство и время. Предполагать же будущее Вселенной еще сложнее: слишком много его различных вариантов возможно, слишком много смелых предположений приходится делать. Тем не менее рискнем.

Планковская эпоха (10-43 с)


В конце прошлого года папа римский Франциск сказал, что «Большой взрыв не противоречит вмешательству Создателя и даже нуждается в нём». Если он намеревался тонко намекнуть на проблемы космологии, то ему это удалось. Ведь на данный момент неизвестно, что происходило в самом начале нашей Вселенной, и Бог может обитать именно там, около точки сингулярности, на планковских масштабах. И чтобы окончательно не нуждаться в Создателе, физикам нужно ещё немало поработать.

Планковские величины — планковская длина, планковская энергия, планковское время — это предельные размеры, где мы ещё можем построить хоть какую-то теорию. Называют их так по имени одного из основоположников квантовой физики Макса Планка.

Время Вселенной мы отсчитываем от момента 10-43 секунды после ее появления. Это минимальное время, за которое в принципе может что-то произойти. Мы не знаем и не можем даже предположить, что было в момент времени 0.

Физик-теоретик Джон Уилер предложил для того мира понятие «квантовая пена». Вакуум, то есть пустота, с очень большой энергией внутри и невероятно искривлённым пространством. Этот вакуум как-то «дышит». В одном месте чуть больше энергии собирается, в другом — чуть меньше. Вот и пена.

Итак… 10-43 секунды от начала Вселенной. Поле, наполнявшее тогда мизерную точку, выросшую потом в знакомый нам мир, в этот момент имело колоссальную плотность энергии, соответствующую температуре в 1032 кельвинов. Диаметр же Вселенной равнялся планковской длине — 10-35 метра. И ещё рекорд: гигантская плотность — 5×1096 килограммов на кубический метр.

Эпоха Великого объединения (10-43 – 10-36 секунды)


В мире, который нас окружает, известны четыре фундаментальных взаимодействия. Гравитационное притягивает тела друг к другу. Электромагнитное притягивает или отталкивает заряженные частицы, а кванты электромагнитного поля — фотоны, то есть свет. Сильное взаимодействие соединяет кварки в протоны и нейтроны (их вместе называют нуклонами), да и сами нуклоны — в атомы. Благодаря же слабому взаимодействию кварки могут обмениваться друг с другом энергией, массой, зарядом.

В нашем мире эти взаимодействия независимы друг от друга. Но не так было в начале времён. Тогда электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия были объединены. Это время и называют эпохой Великого объединения (по логике должна быть ещё эпоха Величайшего, когда в общий котёл добавляется и гравитация, но такой теории пока нет).

В конце эпохи Великого объединения, когда плотность энергии Вселенной снизилась, отделилось сильное взаимодействие, спровоцировав такой важный этап в развитии Вселенной, как инфляция.

Инфляция (10-36 – 10-32 секунды)


Вселенная на стадии инфляции — это мыльный пузырь, который не просто не хочет схлопнуться, но расширяется с огромной скоростью. Согласно инфляционной теории, самой популярной в космологии, ранняя Вселенная была заполнена скалярным полем — инфлатоном — с отрицательной плотностью энергии. Инфлатон очень похож на тёмную энергию — малоизученную штуку, которая, однако, составляет 70% массы всего в мире, — и вполне возможно, и является ею, продолжая расширять наш мир с ускорением, только не таким громадным, как в то далекое время.

На стадии инфляции громадная энергия почти мгновенно расширила Вселенную от того миниатюрного состояния, в котором мы ее оставили в прошлом пункте, до объекта размером с микроба.

И это всё еще был вакуум с огромной кривизной пространства. Но этого мало: в вакууме были флуктуации энергии — где-то больше, где-то меньше. На следующем этапе, когда энергия стала переходить в вещество, эти флуктуации закрепятся в пространстве. Где-то вещества окажется больше, где-то меньше. В результате мы получим звёзды, галактики, скопления галактик… Если бы таких возмущений вакуума не было, то ничего бы не существовало, в том числе и «Кота Шрёдингера», все заполняло бы однородное излучение. Но Вселенная получилась именно такой, какой мы ее знаем.

Эпохи электрослабых взаимодействий, кварков, адронов, лептонов, нуклеосинтеза (10-32секунды — 3 минуты)


Все, конечно, помнят уравнение Эйнштейна о соответствии энергии массе вещества. Так вот, в конце инфляции плотность энергии значительно снизилась, и из нее образовалась кварк-глюонная плазма, такой себе кварковый суп. Это заняло по времени доли наносекунды, образовались бозоны — переносчики слабого взаимодействия, и знаменитый бозон Хиггса.

Кварки — фундаментальные строительные кирпичики Вселенной. Три кварка объединяются в тяжелые барионы, самые известные из которых — протон и нейтрон. Этот процесс идет где-то доли миллисекунды, начавшись на инфляционной стадии. Именно в этот момент (хотя точно мы не знаем) происходит труднообъяснимое физиками событие — нарушение барионной симметрии, когда материи вдруг стало больше, чем антиматерии. Ведь частицы и античастицы должны были рождаться в те времена с одинаковой скоростью. Но тогда они бы аннигилировали между собой без остатка, и ничего бы интересного из нашей Вселенной не получилось. Гипотез нарушения симметрии несколько, но ни одна не признана окончательной.

До сотой секунды после Большого взрыва кварк-глюонная плазма охладилась достаточно для массового образования адронов, включая протоны и нейтроны. Из-за аннигиляции вещества и антивещества осталось лишь немного первоначальных частиц. А при аннигиляции частицы и античастицы обращались в фотоны — свет.

Протоны и нейтроны объединялись в ядра атомов, до третьей минуты они образовали ядра водорода — они составили около 75% всех ядер, 25% гелия, немного дейтерия, бора.

Так началась «горячая» стадия Большого взрыва. Появилось вещество.

Если вы начали читать эту статью с начала, то, скорее всего, уже провели за чтением времени больше, чем заняли все описываемые процессы.

Эпоха плазмы (3 минуты — 380 тысяч лет)


Примерно 20 минут после Большого взрыва продолжался первичный нуклеосинтез — образование атомных ядер: возникли ядра лития-7, бериллия. Где-то через 70 тысяч лет плотность фотонов, оставшихся после аннигиляции, и плотность ядер стали равными, началась эпоха доминирования вещества, которая продолжается и поныне.

Вселенная расширялась, охлаждаясь, и через 380 тысяч лет её температура стала достаточно низкой (около 3000 кельвинов) для начала рекомбинации — электроны стали присоединяться к ядрам, образовались первые атомы. Материя из плазмы превращалась в газ. С этого момента мир стал прозрачным, ибо фотоны теперь гораздо реже взаимодействовали с веществом и могли свободно лететь в бесконечность.

Тёмные века (380 тысяч — 550 миллионов лет)


Сразу после рекомбинации не было никаких ярких источников излучения, лишь атомы водорода, гелия, реликтовое излучение и излучение водорода на положенной ему длине волны 21,1 сантиметра. Именно благодаря последнему излучению и удается хоть что-то узнать об этом безрадостном времени. Если бы наш Кот попал туда, он увидел бы летающие там и сям в матовой темноте атомы, иногда со слабенькими вспышками сталкивающиеся.

Реионизация — возникновение первых звёзд, галактик (550 — 800 миллионов лет)


В 2010 году астрофизики обнаружили галактику, которая возникла через 600 миллионов лет после Большого взрыва, в начале эры реионизации. Инфляция породила небольшие флуктуации энергетического поля. То есть в каких-то местах плотность энергии была немножко выше, в каких-то — чуть ниже. Пока шло ускоренное расширение Вселенной, эти флуктуации были «заморожены» — пространство расширялось быстрее скорости света, и одна часть флуктуации просто не взаимодействовала с другой. Когда расширение замедлилось, области флуктуаций стали друг друга «чувствовать».

Под воздействием гравитации области слегка повышенной плотности начали сжиматься, образуя галактики и звёзды. Вещество под своей массой схлопывалось в чёрные дыры, которые поглощали ещё больше вещества, превращаясь в ярчайшие квазары — ядра галактик.

Свет первых звёзд опять отбил электроны у водорода, то есть реионизировал его, как это было до эпохи рекомбинации. Межзвёздный водород разогревался, превращаясь в плазму, проходя мощной тепловой волной по Вселенной и порождая новые поколения звёзд.

Эра вещества, или эпоха звёзд (800 миллионов — 13,6 миллиарда лет, идет и поныне)


Примерно 2 миллиарда лет спустя произошла реионизация гелия, однако теперь это сделали не звёзды, а свет квазаров, гораздо более мощный. Это следующая стадия разогрева Вселенной, межгалактический гелий нагревался до более чем 20 000 градусов. Из него сформировались звёзды новых поколений, состоящие не только из гелия и водорода, а содержащие более тяжелые элементы. Возникла почти вся известная нам таблица Менделеева.

Через 7 миллиардов лет мир опять начал расширяться с ускорением, только медленным, в отличие от инфляции. Мир принял привычный нам вид. Через 9 миллиардов лет из газопылевого облака возникло Солнце, вокруг него образовались планеты. Спустя еще миллиард лет на Земле появились первые живые существа.

Превращение Солнца в красный гигант (около 19 — 20 миллиардов лет)


Начиная с этого момента мы переходим от обсуждения прошлого Вселенной к её предполагаемому будущему. Оно сильно зависит от свойств тёмной энергии, которые пока что не изучены. Будет ли расширение ускоряться или же замедлится? Образуются ли из неё новые, невиданные частицы?

Сейчас более-менее уверенно можно говорить о процессах на несколько десятков миллиардов лет вперед, потом же мы становимся на зыбкую почву домыслов и предположений.

Описание будущего начнем с судьбы Солнечной системы, типичной и для других звёздных систем. Постепенно Солнце становится немного горячее, и спустя миллиард лет будет ярче на 11% — тогда жизнь на Земле станет менее комфортной, чем сейчас, если вообще будет существовать. Еще через 3,5 миллиарда лет оно разогреется настолько, что Земля будет подобна Венере, где нередки температуры в 500 кельвинов. Звезда начнет увеличиваться, и через 7,6–7,8 миллиарда лет её ядро будет горячим настолько, что горение водорода начнется во внешних оболочках, расширив их. Солнце вырастет в красного гиганта, достигнув орбиты Земли. Земля либо сгорит, либо будет отброшена на дальнюю орбиту. В любом случае человечеству следует найти себе планету побезопаснее. Через несколько миллионов лет после этого Солнце сбросит внешнюю оболочку, она превратится в планетарную туманность, а от нашей звезды останется белый карлик, который будет постепенно остывать многие миллиарды лет.

Выгорание звёзд (1012 – 1014 лет, или триллион — десять тысяч миллиардов лет)


Судьбу, более-менее подобную судьбе Солнца повторят все звёзды. Крупные исчерпают водородное топливо быстрее, превратившись в белых карликов, нейтронные звёзды или чёрные дыры — в зависимости от массы.

Конечно, новые звёзды будут образовываться еще очень долго. Сейчас в галактиках много межзвёздной пыли и газа, хорошей питательной среды для новых звёзд, но когда-то эти запасы истощатся. Маленькие звёзды, не тяжелее нескольких процентов солнечной массы, должны все стать белыми карликами до 1014 лет после Большого взрыва, то есть через десятки тысяч миллиардов лет. Так наступит конец эпохи звёзд. Шанс выжить для человечества — в постройке сфер Дайсона вокруг оставшихся звёзд: на этих сферах можно жить, используя всю энергию остывающих светил.

Разрушение звёздных и галактических систем (1015 – 1024 лет)


Столкновения звёзд — крайне редкое событие, однако на таких гигантских масштабах времени можно говорить, что все звёзды лишатся своих планетарных систем при сближении с соседями. Если Земля каким-то чудесным образом останется на орбите белого карлика, то через 1015 лет она улетит от него в космическое пространство, оторванная силой притяжения проходивших мимо звёзд. Еще через 1019 лет более 90% звёзд покинут свои галактики, а остальные сколлапсируют в их центрах, превратившись в гигантские чёрные дыры. Через 1024 лет никаких галактик не будет. Оставшиеся звёзды будут находиться в миллиардах парсеков друг от друга, и ни одного огонька не будет видно в чёрном небе плывущей в пустоте планеты.

Распад протонов (1032 – 1046 лет)


Предполагается, что протоны могут распасться на более легкие частицы через очень продолжительное время, по-разному определяемое в разных теориях (например, 1032 лет). Для проверки гипотезы построен детектор Super-Kamiokande, находящийся на километровой глубине под землей в шахте неподалеку от Токио. Наблюдения ведутся с 1996 года, и ни одного такого распада пока что не удалось засечь.

Будет грустно, если это таки произойдет — тогда все атомы во Вселенной исчезнут, оставив после себя лишь позитроны и пионы, тут же разлетающиеся двумя гамма-квантами. Скучный конец. Поэтому в дальнейших пунктах мы предполагаем, что протон стабилен вечно.

Испарение чёрных дыр и превращение материи в жидкость (1064 – 10100 лет)


Стивен Хокинг предложил занятную теорию об испарении чёрных дыр. Вакуум на самом деле не пуст, в нем постоянно рождаются и умирают «виртуальные» частицы. Парами. Если такая пара образовалась на границе чёрной дыры, то одна из частиц может быть поглощена дырой, а другая в таком случае вырвется из ее поля притяжения. Причём поглотится частица с отрицательной энергией.

Чёрные дыры, прирастая частицами с отрицательной энергией, немножко уменьшаются, и через 1064 лет чёрная дыра солнечной массы исчезнет. Крупнейшие дыры могут просуществовать до 10100 лет, однако тоже обязательно испарятся. Правда, в этот момент их лишь условно можно будет назвать чёрными — испарение сопровождается ярчайшей вспышкой, знаменующей колоссальный выброс энергии.

Что же до остальной материи, которая не сколлапсировала в чёрные дыры, то на таких интервалах времени, как 1065 лет, она ведёт себя как жидкость с очень большой вязкостью. Попади мы туда, увидели бы очень редкие капли, которые были когда-то звёздами и планетами.

Эпоха железных звёзд (101500лет)


В романе «Туманность Андромеды» космический корабль терпит бедствие у тёмной звезды, находящейся всего лишь в двух световых годах от Солнца. Однако здесь Иван Ефремов немного ошибается по времени — лет эдак на 101500. Железные звёзды могут образоваться лишь в далеком будущем, и только при условии, что протон стабилен.

Эпоха Великой тьмы (1010^26–1010^76 лет)


Число «гугол» (googol) — это единица с сотней нулей, 10100, в честь него назван известный интернет-поисковик. Если возвести 10 в степень гугол, получится гуголплекс. Если бы мы хотели растерять своих читателей, то напечатали бы это число на страницах журнала — скорее всего, одного журнала для его записи не хватило бы. Журнала не хватило бы даже для записи нижней оценки времени превращения всей материи в чёрные дыры — 1010^26 лет. Состоящая из сферических капель жидкого железа материя все равно неустойчива. С течением времени материя сколлапсирует либо в чёрные дыры, либо в нейтронные звёзды, которые затем сколлапсируют в чёрные дыры. А дыры испарятся почти мгновенно, всего за каких-то 10100 лет. Неизвестно, сопровождается ли превращение железной звёзды в нейтронную или в чёрную дыру взрывом сверхновой. Если да, то даже через гуголплекс лет Вселенная все ещё сможет производить последние ослепительные фейерверки. А там, среди пустоты, в которой изредка пролетают фотоны, быть может, случайные флуктуации вакуума породят нестабильность, которая вырастет до сверхплотного шарика планковских размеров, потом инфляционно раздуется — и всё по новой.


Впервые опубликовано: «Кот Шрёдингера» № 7-8 (9-10) июль-август 2015