Мы живем в удивительную космическую эпоху, когда на ночном небе все еще сияют миллиарды звезд, однако в масштабах вечности этот период тепла и света окажется лишь кратким мигом. В новом выпуске научно-популярного проекта PBS Space Time ведущий подробно разбирает физические сценарии окончательной гибели Вселенной и постепенного угасания материи. Материал описывает грандиозную хронологию грядущей космической тьмы и объясняет, как гипотетические цивилизации далекого будущего смогут бороться за выживание на пороге абсолютной энтропии.
🌌 Конец звездной эпохи и наступление Вырожденного века 0:00
Примерно через 100 триллионов (10¹⁴) лет последняя звезда во Вселенной полностью израсходует финальные атомы своего водородного топлива. Отработав положенный срок, она тихо превратится в тусклый белый карлик, после чего начнет медленно остывать, излучая в пространство остатки тепла, пока окончательно не превратится в абсолютно черный карлик. По словам ведущего, этот срок в 10 000 раз превышает нынешний возраст нашего мира, так что эпоха звездного света продлится еще долго. Тем не менее в сравнении с бесконечными темными веками, которые последуют за ней, Вселенная в этот момент все еще будет казаться очень молодой. Почти все свое бесконечное время существования наш мир проведет в кромешной тьме, медленно приближаясь к максимальной энтропии и окончательной тепловой смерти.
Однако это вовсе не означает, что в космосе прекратится всякая активность. Как утверждает автор, Вселенная может угасать множеством изощренных способов, постепенно рассеивая энергию и переходя в менее интересные с точки зрения физики состояния. Высокоразвитые цивилизации будущего, вероятно, сумеют приспособиться к этим процессам распада, чтобы цепляться за жизнь на протяжении неисчислимых эпох. Существование жизни и сложных структур возможно ровно до тех пор, пока система не придет в идеальное термодинамическое равновесие.
Ранее в проекте уже подробно рассматривались этапы локального апокалипсиса: неизбежная гибель Земли, нагревание и смерть Солнца, а также грядущее слияние Млечного Пути с галактикой Андромеды. В результате этого слияния сформируется гигантская мегагалактика, которая со временем станет состоять исключительно из остывающих звездных остатков. В ней останутся лишь следующие объекты:
- сверхплотные нейтронные звезды;
- черные дыры, оставшиеся после гибели массивных светил;
- белые карлики, образовавшиеся из маломассивных звезд (включая недавно угасшие красные карлики).
Все эти белые карлики остынут и превратятся в черные карлики всего за несколько миллиардов лет — этот срок несопоставимо мал по сравнению с триллионами лет жизни породивших их звезд. Как отмечает ведущий, цивилизации той эпохи полностью потеряют связь с остальным космосом задолго до того, как погаснет последний красный карлик. Ускоряющееся расширение Вселенной унесет все галактики за пределы нашего космического горизонта событий, сделав их недосягаемыми для наблюдения. Реликтовое излучение (космический микроволновый фон) также потускнеет до полной незаметности. Будущие астрономы не найдут никаких доказательств того, что за пределами их локального скопления существует какая-то Вселенная, и никогда не узнают о Большом взрыве. Космос вступит в так называемый Вырожденный век, когда Вселенная будет заполнена лишь холодными и сверхплотными сгустками вырожденной материи, в которой все квантовые состояния полностью заполнены, что исключает дальнейшее гравитационное сжатие.
💥 Распад галактик и гибель планетарных систем 4:39
Удивительно, но многие из этих черных карликов и нейтронных звезд сохранят свои планетные системы, оставшиеся со времен их полноценного звездного прошлого. Ведущий признает, что представить жизнь на этих абсолютно черных мирах крайне сложно, но теоретически это возможно. Впрочем, их стабильности все равно придет конец из-за случайных гравитационных сближений космических тел внутри темной галактики. В ходе таких хаотичных свиданий планеты будут попросту выбрасываться со своих орбит в ледяную межзвездную бездну. По оценкам ученых, примерно за 1000 триллионов (10¹⁵) лет абсолютно все планетные системы во Вселенной будут полностью уничтожены этим способом.
Следующей катастрофой для остатков Млечного Пути и Андромеды станет полный распад самой мегагалактики. Вращаясь по бесчисленным орбитам, темные звездные остатки будут постоянно взаимодействовать друг с другом на гравитационном уровне. В результате этого процесса возникнет кинетическое разделение материи:
- Легкие объекты (в основном черные карлики, а также блуждающие замерзшие планеты и астероиды) будут выбрасываться за пределы галактики в межгалактическую пустоту.
- Более тяжелые тела (нейтронные звезды и черные дыры) будут постепенно терять энергию и оседать к самому центру.
Автор приводит расчеты знаменитого физика Фримена Дайсона, согласно которым от 92% до 99% всех звездных остатков нашей галактики будут навсегда рассеяны в космическом пространстве примерно за 10¹⁸ лет. Когда Вселенная станет еще в десять раз старше (около 10¹⁹ лет), вся оставшаяся центральная часть мегагалактики окончательно рухнет в сверхмассивную черную дыру, расположенную в ее ядре.
🔬 Развилка вечности: распадется ли протон? 5:55
Дальнейший ход космической истории фундаментально зависит от одного ключевого вопроса современной физики: стабилен ли протон? Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, протон является самой стабильной составной частицей и должен существовать вечно. Однако целый ряд современных теорий, выходящих за рамки Стандартной модели, утверждает, что протоны обязаны со временем распадаться на позитроны, нейтрино и гамма-кванты.
На текущий момент ученым ни разу не удалось зафиксировать распад протона экспериментально. Тем не менее эти неудачные попытки позволили установить жесткую нижнюю границу: период полураспада протона составляет не менее 10³⁴ лет. Согласно теоретическим выкладкам, эта величина может достигать 10³⁷ лет. По словам ведущего, если физические теории правы и протон действительно нестабилен, то в промежутке между 10³⁹ и 10⁴⁰ годами абсолютно все протоны в наблюдаемой Вселенной бесследно исчезнут. Это означает полную ликвидацию планет, черных карликов и космической пыли. Вселенная превратится в бескрайний океан, в котором останутся только:
- лептоны (например, электроны и позитроны);
- фотоны;
- черные дыры.
🕳️ Эра черных дыр и миллион гугол лет темноты 7:01
В случае распада протонов Вселенная официально вступит в так называемую Эру черных дыр, которые останутся единственными массивными объектами в пространстве. Основная часть космической массы будет сосредоточена в сверхмассивных черных дырах, некогда развивавшихся в ядрах галактик. Некоторые из этих монстров успеют разрастись до колоссальных размеров, эквивалентных 100 триллионам масс Солнца, поглотив значительные объемы целых галактических кластеров.
Но даже эти гравитационные титаны подвержены разрушению. За счет квантового механизма излучения Хокинга черные дыры непрерывно и крайне медленно испаряют свою массу в виде теплового свечения из случайных частиц (преимущественно в невидимом радиодиапазоне). Ведущий очерчивает временные рамки их полного исчезновения:
- Черные дыры звездной массы (примерно в 10 раз массивнее Солнца) полностью испарятся примерно за 10⁶⁷ лет.
- Крупнейшие сверхмассивные черные дыры окончательно исчезнут примерно через 10¹⁰⁶ лет (это число автор называет «миллионом гугол лет»).
По мнению автора, на протяжении этой невообразимо долгой Эры черных дыр высокоразвитые цивилизации все еще смогут извлекать полезную энергию. Черные дыры можно использовать в качестве невероятно эффективных генераторов, улавливая излучение Хокинга или задействуя другие гравитационные механизмы. Если разумная жизнь найдет способ обуздать эту энергию, то история цивилизаций затянется на колоссальный срок, сопоставимый с циклом жизни самих черных дыр. Стоит добавить, что темная материя к этому моменту, скорее всего, тоже исчезнет: ее частицы либо взаимно аннигилируют при редких столкновениях, либо будут захвачены вырожденными звездами и закончат свой путь в недрах черных дыр.
Финалом этой эпохи станут редкие высокоэнергетические вспышки гамма-излучения — именно так взрываются черные дыры на самой последней, терминальной стадии своего испарения. После этого в мире не останется ничего, что было бы связано гравитацией, а плотность вещества из-за расширения пространства станет ничтожной.
🔩 Альтернативный сценарий: железные звезды вечности 9:28
Но что если теории неправы, и протон на самом деле никогда не распадается? В таком случае, как поясняет ведущий, материальные структуры смогут сохраняться во Вселенной на протяжении гораздо более поразительных сроков. Черные дыры все равно испарятся, однако малые звездные остатки, планеты и астероиды никуда не исчезнут. Их отдаленное будущее окажется во власти законов квантового туннелирования, перед которыми на бесконечном отрезке времени ни один материал не останется стабильным.
Благодаря квантовому туннелированию элементы легче железа будут постепенно вступать в реакцию холодного термоядерного синтеза, а элементы тяжелее железа — медленно распадаться. Рано или поздно каждый атом материи во Вселенной превратится в железо-56, являющееся самым стабильным элементом Периодической таблицы с точки зрения ядерной физики. Черные карлики превратятся в так называемые «железные звезды» — идеально круглые, холодные и невероятно плотные сферы из чистого железа. Этот уникальный процесс перестройки материи займет около 10¹⁵⁰⁰ лет.
Но даже железные звезды не смогут существовать вечно. Согласно теоретическим моделям, их дальнейшая эволюция пойдет по одному из двух путей:
- Под воздействием сверхдолговременного квантового туннелирования вещество железных звезд продолжит медленно смещаться к их геометрическому центру, что через немыслимые 10 в степени 10 в степени 76 лет приведет к их коллапсу в нейтронные звезды.
- Возможен гораздо более быстрый и драматичный финал, описанный Фрименом Дайсоном. Если в нашей физике минимально возможная масса стабильной черной дыры эквивалентна Планковской массе (около 20 микрограмм), то квантовое туннелирование позволит микроскопическим участкам внутри железных звезд спонтанно превращаться в мини-черные дыры. Эти субтитры-монстры начнут мгновенно пожирать окружающее вещество изнутри, приводя к полному коллапсу всего объекта.
Если этот сценарий Дайсона верен, то абсолютно вся материя во Вселенной, превышающая по размеру обычную пылинку (включая железные и нейтронные звезды), сколлапсирует в черные дыры и тут же испарится через излучение Хокинга «всего» за 10 в степени 10 в степени 26 лет.
💨 Большой разрыв, распад вакуума и вечная пустота 11:41
В конечном итоге, в промежутке между миллионом гугол лет и бесконечными степенями вечности, Вселенная превратится в бесконечно расширяющийся, остывающий и абсолютно пустой космос, в котором изредка летают элементарные частицы. В этой точке энтропия достигнет своего абсолютного пика, а вся энергия распределится по пространству идеально равномерно. Ни одна будущая цивилизация не сможет извлечь из такой среды ни капли полезного действия, если только к тому моменту разумные существа не разработают технологии для остановки расширения Вселенной или не создадут фантастическую портальную пушку для ухода в другие измерения.
Тем не менее автор напоминает, что окончательная смерть Вселенной может оказаться гораздо более динамичной и непредсказуемой:
- Большой разрыв (Big Rip): таинственная темная энергия может ускорить расширение пространства настолько агрессивно, что со временем она разорвет на куски галактики, планетные системы, а затем и саму ткань пространства-времени вместе с атомами.
- Распад ложного вакуума: наша Вселенная может внезапно провалиться в еще более низкое и истинное энергетическое состояние. Подобный фазовый переход мгновенно сотрет и полностью перепишет все известные нам законы физики.
- Рождение новых миров: согласно некоторым квантовым моделям, случайные масштабные квантовые флуктуации в абсолютной пустоте способны спровоцировать новые Большие взрывы, порождая абсолютно новые вселенные прямо из первозданного ничто.
💬 Постскриптум: ответы на вопросы зрителей и «Хогвартс» в Нью-Йорке 13:26
В финальной части выпуска ведущий традиционно разобрал комментарии к прошлому эпизоду, посвященному самому точному предсказанию в истории науки — аномальному магнитному моменту электрона. Зрители активно интересовались, почему гиромагнитное отношение (g-фактор) электрона в классической физике считалось равным единице, а в квантовой — двойке.
Ведущий процитировал подробное объяснение от пользователя Гарета Дина (Gareth Dean): в классических моделях ученые исходили из допущения, что масса и заряд электрона распределены в пространстве абсолютно идентично (как в однородном заряженном шаре), что математически дает g = 1. Однако гениальное квантовое уравнение Поля Дирака предсказало точное значение g = 2, поскольку в рамках его теории заряд и масса распределяются принципиально иным образом. Впоследствии квантовая электродинамика (КЭД) еще сильнее уточнила этот параметр, доказав, что за счет эффекта поляризации вакуума реальный g-фактор должен быть чуть выше двойки, что и фиксируется современными приборами с феноменальной точностью.
Отвечая пользователю epsilon J на вопрос о том, почему физики упорно считают электрон бесконечно малой точкой, профессор пояснил базовый постулат квантовой механики. Понятие физического размера применимо исключительно к составным частицам (например, протонам), которые состоят из целой группы более мелких элементов. Элементарные же частицы собственного пространственного размера в привычном понимании не имеют. Всё, чем они обладают — это квантовая волновая функция, определяющая лишь математическую вероятность обнаружить частицу с конкретным импульсом или спином в той или иной точке пространства. Если бы мы теоретически со 100%-й уверенностью зафиксировали координату электрона, размер его волновой функции сжался бы до абсолютного нуля, хотя на практике этому мешает фундаментальный принцип неопределенности Гейзенберга.
В завершение ведущий с юмором ответил на вопрос о своей фирменной футболке с надписью Lehman, которую зрители перепутали со знаменитым обанкротившимся банком Lehman Brothers. Как оказалось, это символика Леман-колледжа (Lehman College), входящего в структуру Городского университета Нью-Йорка. Профессор с гордостью отметил, что за великолепную старинную архитектуру это заведение часто называют «Хогвартсом Нью-Йорка», и именно там он официально преподает физику и астрономию. Что же касается одноименной финансовой корпорации, ведущий иронично добавил, что под влиянием тотального дерегулирования банковской сферы в 1980-х и 1990-х годах «у них все шло просто отлично, пока в итоге это не обернулось катастрофой для всех нас».
