Budushee Vselennoi
2.03.1994 15:20 | I.L. Genkin/Vselennaya i My

O kakom budushem kakoi Vselennoi poidet rech' v stat'e? O budushem ochen' dalekom, nastol'ko, chto neizvestno, nastupit li ono voobshe. O nablyudaemoi Vselennoi, kakoi my ee seichas vidim i predstavlyaem. Kak govoryat, ob "astronomicheskoi" Vselennoi. Eti ogovorki vazhny, poskol'ku zhizn' i razvitie nauki sushestvenno menyayut nashi predstavleniya i o Vselennoi, i ob ee evolyucii, i o zakonah, upravlyayushih etoi evolyuciei. V samom dele, sushestvovanie chernyh dyr bylo predskazano eshe v XVIII veke. No lish' vo vtoroi polovine XX stoletiya ih stali rassmatrivat' kak gravitacionnye mogily massivnyh zvezd i kak mesta, kuda mozhet navechno "provalit'sya" znachitel'naya chast' veshestva, dostupnogo nablyudeniyam, vybyvaya iz obshego krugovorota. A pozzhe stalo izvestno, chto chernye dyry isparyayutsya i, takim obrazom, vozvrashayut pogloshennoe, hotya sovsem v drugom oblich'i. Novye idei postoyanno vyskazyvayutsya kosmofizikami (eto sovsem novaya fizicheskaya special'nost'!). Poetomu kartiny, narisovannye eshe sovsem nedavno, neozhidanno okazyvayutsya ustarevshimi.

A chto takoe Vselennaya? Ob etom rasskazyvalos' v stat'e A. D. Chernina (sm. "Vselennaya i my", N1). Zdes' pod terminom Vselennaya my budem ponimat' maksimal'no bol'shuyu oblast' prostranstva, vklyuchayushuyu v sebya kak vse dostupnye dlya izucheniya nebesnye tela i ih sistemy, t.e. Metagalaktiku, tak i vozmozhnoe okruzhenie, eshe vliyayushee na harakter raspredeleniya i dvizheniya tel v ee astronomicheskoi chasti. Bolee podrobnoe ob'yasnenie uvelo by nas slishkom daleko ot osnovnoi temy, hotya nekotorye poyasneniya vse zhe neobhodimy.

Izvestno, chto Metagalaktika nahoditsya v sostoyanii priblizitel'no odnorodnogo i izotropnogo rasshireniya. Vse galaktiki udalyayutsya drug ot druga so skorost'yu tem bol'shei, chem bol'she rasstoyanie mezhdu nimi. S techeniem vremeni skorost' etogo rasshireniya umen'shaetsya. Na rasstoyanii 15-20 milliardov svetovyh let udalenie proishodit so skorost'yu, blizkoi k skorosti sveta. Po etoi i ryadu drugih prichin, my ne mozhem videt' bolee dalekie ob'ekty. Sushestvuet kak by nekii "gorizont vidimosti". Veshestvo na etom gorizonte nahoditsya v sverhplotnom ("singulyarnom", t.e. osobom) sostoyanii, v kakom ono bylo v moment uslovnogo nachala rasshireniya, hotya na etot schet imeyutsya i drugie predpolozheniya. Iz-za konechnosti skorosti rasprostraneniya sveta (300000 km/s) my ne mozhem znat', chto proishodit na gorizonte seichas, no nekotorye teoreticheskie raschety pozvolyayut dumat', chto za predelami gorizonta vidimosti veshestvo raspredeleno v prostranstve primerno s toi zhe plotnost'yu, chto i vnutri nego. Imenno eto i privodit kak k odnorodnomu rasshireniyu, tak i k nalichiyu samogo gorizonta. Poetomu chasto Metagalaktiku ne ogranichivayut vidimoi chast'yu, a rassmatrivayut kak sverhsistemu, otozhdestvlennuyu so vsei Vselennoi v celom, schitaya ee plotnost' odnorodnoi. V prosteishih kosmologicheskih postroeniyah rassmatrivayut dva osnovnyh varianta povedeniya Vselennoi - neogranichennoe rasshirenie, pri kotorom srednyaya plotnost' veshestva s techeniem vremeni stremitsya k nulyu, i rasshirenie s ostanovkoi, posle kotoroi Metagalaktika dolzhna nachat' szhimat'sya. V obshei teorii otnositel'nosti pokazyvaetsya, chto nalichie veshestva iskrivlyaet prostranstvo. V modeli, gde rasshirenie smenyaetsya szhatiem, plotnost' dostatochno vysoka i krivizna okazyvaetsya takoi, chto prostranstvo "zamykaetsya na sebya", podobno poverhnosti sfery, no v mire s bol'shim, chem "u nas", chislom izmerenii. Nalichie gorizonta privodit k tomu, chto dazhe etot prostranstvenno konechnyi mir my ne mozhem videt' celikom. Poetomu s tochki zreniya nablyudenii zamknutyi i otkrytyi mir razlichayutsya ne ochen' sil'no.

Skoree vsego, real'nyi mir ustroen slozhnee. Mnogie kosmologi (A. D. Linde i dr.) predpolagayut, chto sushestvuet neskol'ko, mozhet byt', dazhe ochen' mnogo metagalaktik i vse oni vmeste mogut predstavlyat' kakuyu-to novuyu sistemu, yavlyayushuyusya chast'yu nekotorogo eshe bolee krupnogo obrazovaniya (mozhet byt', principial'no inoi prirody), kotoroe uzhe poluchilo neskol'ko nazvanii (Metavselennaya po I. S. Shklovskomu, Inframir po F. de Al'ba, Gipermir po K. H. Rahmatullinu). Otdel'nye chasti etogo gipermira (vselennye v uzkom smysle) mogut imet' sovershenno razlichnye svoistva, mogut byt' ne svyazany drug s drugom izvestnymi nam fizicheskimi vzaimodeistviyami (ili byt' slabo svyazannymi, chto imeet mesto v sluchae tak nazyvaemogo poluzamknutogo mira). V etih chastyah gipermira mogut proyavlyat'sya inye zakony prirody, a fundamental'nye konstanty tipa skorosti sveta mogut imet' drugie znacheniya ili voobshe otsutstvuyut. Nakonec, v takih vselennyh mozhet byt' ne takoe, kak u nas, chislo prostranstvennyh izmerenii! No obsuzhdenie vsego etogo ne vhodit v nashu zadachu. Nado lish' pomnit', chto real'nyi mir beskonechno raznoobraznee nashih segodnyashnih predstavlenii o nem. Po etoi prichine my nachnem razgovor o budushem s problemy, dlya kotoroi ne ochen' uzh, kak kazhetsya, sushestvenny otdel'nye detali ustroistva Vselennoi ili svoistva fizicheskih vzaimodeistvii. V pervuyu ochered' my napomnim o preslovutoi probleme "teplovoi smerti".

Ideya o dopustimosti i dazhe neobhodimosti primeneniya vtorogo zakona termodinamiki ko Vselennoi kak celomu prinadlezhit V. Tomsonu (lordu Kel'vinu), kotoryi opublikoval ee eshe v 1852 g. Neskol'ko pozzhe R. Klauzius sformuliroval zakony termodinamiki v primenenii ko vsemu miru v sleduyushem vide: 1. Energiya mira postoyanna. 2. Entropiya mira stremitsya k maksimumu.

Maksimal'naya entropiya kak termodinamicheskaya harakteristika sostoyaniya sootvetstvuet termodinamicheskomu ravnovesiyu. Poetomu obychno interpretaciya etogo polozheniya svodilas' (k sozhaleniyu, chasto svoditsya i seichas) k tomu, chto vse dvizheniya v mire dolzhny prevratit'sya v teplotu, vse temperatury vyravnyat'sya, plotnost' v dostatochno bol'shih ob'emah dolzhna stat' vsyudu odinakovoi. Eto sostoyanie i poluchilo nazvanie teplovoi smerti Vselennoi.

Real'noe raznoobrazie mira (krome, razve chto, raspredeleniya plotnosti na samyh bol'shih nyne nablyudaemyh masshtabah) daleko ot narisovannoi kartiny. No esli mir sushestvuet vechno, sostoyanie teplovoi smerti uzhe davno dolzhno bylo by nastupit'! Poluchennoe protivorechie poluchilo nazvanie termodinamicheskogo paradoksa kosmologii. Chtoby ego likvidirovat', nuzhno bylo dopustit', chto mir sushestvuet nedostatochno dolgo. Esli govorit' o nablyudaemoi chasti Vselennoi, a takzhe o ee predpolagaemom okruzhenii, to eto, po-vidimomu, tak i est'. My uzhe govorili o tom, chto ona nahoditsya v sostoyanii rasshireniya. Voznikla ona skoree vsego v rezul'tate vzryvoobraznoi fluktuacii v pervichnom vakuume slozhnoi prirody (ili, mozhno skazat', v gipermire) 15 ili 20 milliardov let nazad. Astronomicheskie ob'ekty - zvezdy, galaktiki - voznikli na bolee pozdnei stadii rasshireniya iz pervonachal'no pochti strogo odnorodnoi plazmy. Odnako, po otnosheniyu k dalekomu budushemu vopros ostaetsya. Chto zhdet nas ili nash mir? Nastupit rano ili pozdno teplovaya smert' ili zhe etot vyvod teorii po kakim-to prichinam neveren?

Mnogie vydayushiesya fiziki (L. Bol'cman, S. Arrenius i dr.) kategoricheski otricali vozmozhnost' teplovoi smerti. Vmeste s tem dazhe i v nashe vremya ne menee krupnye uchenye uvereny v ee neizbezhnosti. Esli govorit' o protivnikah, to, za isklyucheniem Bol'cmana, obrativshego vnimanie na rol' fluktuacii, ih argumentaciya byla skoree emocional'noi. Lish' v tridcatye gody nashego stoletiya poyavilis' ser'eznye soobrazheniya otnositel'no termodinamicheskogo budushego mira. Vse popytki resheniya termodinamicheskogo paradoksa mozhno sgruppirovat' v sootvetstvii s tremya osnovnymi ideyami, polozhennymi v ih osnovu: 1. Mozhno dumat', chto vtoroi zakon termodinamiki netochen ili zhe neverna ego interpretaciya. 2. Vtoroi zakon veren, no neverna ili nepolna sistema ostal'nyh fizicheskih zakonov. 3. Vse zakony verny, no neprimenimy ko vsei Vselennoi iz-za kakih-to ee osobennostei.

V toi ili inoi mere vse varianty mogut byt' ispol'zovany i deistvitel'no ispol'zuyutsya, hotya s raznym uspehom, dlya oproverzheniya vyvoda o vozmozhnoi teplovoi smerti Vselennoi v skol' ugodno udalennom budushem. Po povodu pervogo punkta zametim, chto v "Termodinamike" K. A. Putilova (M., Nauka, 1981) privoditsya 17 razlichnyh opredelenii entropii, ne vse iz kotoryh ekvivalentny. My ne budem privodit' nenuzhnye zdes' podrobnosti. Skazhem lish', chto esli imet' v vidu statisticheskoe opredelenie, uchityvayushee nalichie fluktuacii (Bol'cman), vtoroi zakon v formulirovke Klauziusa i Tomsona deistvitel'no okazyvaetsya netochnym.

Zakon vozrastaniya entropii, okazyvaetsya, imeet ne absolyutnyi harakter. Stremlenie k ravnovesiyu podchineno veroyatnostnym zakonam. Entropiya poluchila matematicheskoe vyrazhenie v vide veroyatnosti sostoyaniya. Takim obrazom, posle dostizheniya konechnogo sostoyaniya, kotoroe do sih por predpolagalos' sootvetstvuyushim maksimal'noi entropii S_max, sistema budet nahodit'sya v nem bolee prodolzhitel'noe vremya, chem v drugih sostoyaniyah, hotya poslednie neizbezhno budut nastupat' iz-za sluchainyh fluktuacii. Pri etom krupnye otkloneniya ot termodinamicheskogo ravnovesiya budut znachitel'no bolee redkimi, chem nebol'shie. Na samom dele sostoyanie s maksimal'noi entropiei dostizhimo tol'ko v ideale. Einshtein otmetil, chto "termodinamicheskoe ravnovesie, strogo govorya, ne sushestvuet". Iz-za fluktuacii entropiya budet kolebat'sya v kakih-to nebol'shih (skazhem tak) predelah, vsegda nizhe S_max. Ee srednee znachenie <S> budet sootvetstvovat' bol'cmanovskomu statisticheskomu ravnovesiyu. Takim obrazom, vmesto teplovoi smerti mozhno bylo by govorit' o perehode sistemy v nekotoroe "naibolee veroyatnoe", no vse zhe konechnoe statisticheski ravnovesnoe sostoyanie. Schitaetsya, chto termodinamicheskoe i statisticheskoe ravnovesie - prakticheski odno i to zhe. Eto oshibochnoe mnenie oproverg F. A. Cicin, pokazavshii, chto razlichie v deistvitel'nosti ves'ma veliko, hotya o konkretnyh znacheniyah raznicy my zdes' govorit' ne mozhem. Vazhno, chto lyubaya sistema (naprimer, ideal'nyi gaz v sosude) rano ili pozdno budet imet' ne maksimal'noe znachenie entropii, a skoree <S> , sootvetstvuyushee, kak budto, sravnitel'no maloi veroyatnosti. No zdes' delo v tom, chto entropiyu <S> imeet ne odno sostoyanie, a gromadnaya ih sovokupnost', kotoruyu lish' po nebrezhnosti nazyvayut edinym sostoyaniem. Kazhdoe iz sostoyanii s <S> imeet i v samom dele maluyu veroyatnost' osushestvleniya, i poetomu v kazhdom iz nih sistema ne zaderzhivaetsya dolgo. No dlya ih polnogo nabora veroyatnost' poluchaetsya bol'shoi! Poetomu sovokupnost' chastic gaza, dostignuv sostoyaniya s entropiei, blizkoi k <S> , dolzhna dovol'no bystro pereiti v kakoe-to drugoe sostoyanie s primerno toi zhe entropiei, zatem v sleduyushee i t.d. I hotya v sostoyanii, blizkom k S_max, gaz budet provodit' bol'she vremeni, chem v lyubom iz sostoyanii s <S> , poslednie vmeste vzyatye stanovyatsya bolee predpochtitel'nymi.

Interpretaciya vtorogo zakona stanovitsya eshe bolee slozhnoi, esli uchest' vzaimodeistviya mezhdu chasticami, kotorymi v ideal'nom gaze prenebregayut. V kvazineitral'noi plazme, v galaktikah mezhdu zvezdami (kotorye zdes' dopustimo schitat' prityagivayushimisya drug k drugu material'nymi tochkami) pomimo proyavleniya dal'nodeistvuyushih sil prityazheniya i ottalkivaniya proishodit obmen energiyami i impul'sami, porozhdennyi etimi silami. V celom eto vedet k ustanovleniyu statisticheskogo ravnovesiya s maksvellovskim raspredeleniem skorostei u otdel'nyh chastic, neizbezhnym sledstviem chego yavlyaetsya obrazovanie tesnyh i ustoichivyh dvoinyh sistem. Dlya etogo nuzhny osobye usloviya, v chastnosti, poyavlenie v nebol'shoi oblasti prostranstva srazu treh chastic (zvezd). Eto redkoe, no neizbezhnoe yavlenie. Pri troinom sblizhenii odna iz zvezd unosit v konechnom schete "izbytochnuyu" kineticheskuyu energiyu, a dve drugie obrazuyut edinyi ob'ekt, v kotorom sosredotachivaetsya otricatel'naya potencial'naya energiya. Pri posleduyushih sblizheniyah para mozhet byt' "razbita", no mozhet stat' i bolee tesnoi. Okazyvaetsya, poslednii process idet s neskol'ko bol'shei veroyatnost'yu, i para stanovitsya s techeniem vremeni vse bolee tesnoi. Esli by zvezdy byli deistvitel'no material'nymi tochkami, sblizhenie shlo by neogranichenno. Pri etom, kak okazyvaetsya, entropiya sistemy i veroyatnost' sostoyaniya rastut do beskonechnosti. Pravda, harakternoe vremya deistviya podobnogo mehanizma v galaktikah ochen' veliko, i rech' mozhet idti lish' o nekotoroi tendencii, a ne ob evolyucii real'nyh dvoinyh zvezd, kotorye, skoree vsego, obrazovalis' v kakom-to processe kollektivnogo zvezdoobrazovaniya.

Uslozhnenie mozhno prosledit' i v sredah ili ob'ektah lyubogo tipa. Pust', naprimer, v sosude imeetsya dostatochnoe kolichestvo atomov vodoroda i kisloroda. Vzaimodeistvie mezhdu atomami obyazatel'no privedet k poyavleniyu molekul. Eto budut dvuhatomnye molekuly vodoroda i kisloroda i trehatomnye molekuly vody i ozona. Zakony termodinamiki, v primitivnom ponimanii, dolzhny byli by vesti k predel'nomu uprosheniyu. S drugoi storony, i dal'neishee uslozhnenie molekul nevozmozhno. Nikakie drugie treh-, chetyreh- i bolee slozhnye kombinacii ukazannyh atomov v prirode ne osushestvimy. Obshim itogom rassmotreniya yavlyaetsya vyvod, soglasno kotoromu naibolee veroyatnoe sostoyanie ne obyazatel'no pohodit na tradicionnoe odnorodnoe prostoe raspredelenie, a mozhet obladat' razvitoi strukturoi, opredelyaemoi konkretnym vidom vzaimodeistvii mezhdu elementami sistemy.

Vozmozhna li, pri spravedlivosti vtorogo zakona termodinamiki, nepolnota ili oshibochnost' sistemy ostal'nyh zakonov fiziki? Konechno, nam izvestny ne vse zakony prirody. Odnako myslimye varianty kak budto ne zatragivayut vtorogo nachala termodinamiki. Pravda, neodnokratno vyskazyvalis' mneniya o sushestvovanii nekotoryh special'no "antientropiinyh" zakonov, odnako v svete skazannogo o veroyatnosti, eto mozhet byt' "lish'" obobshenie vtorogo nachala, ustanavlivayushee ego neizvestnye nyne granicy. Esli by sistema stremilas' k menee veroyatnomu sostoyaniyu, sledovalo by posmotret', verno li opredelena veroyatnost'.

Inogda poyavlyayutsya somneniya v absolyutnoi spravedlivosti zakonov sohraneniya energii. Tut mozhno vspomnit' i prichinnuyu mehaniku N. A. Kozyreva, i razlichnuyu traktovku fizicheskogo smysla tenzora energii-impul'sa v obshei teorii otnositel'nosti. Pri poyavlenii v sisteme dopolnitel'noi energii (pust' dazhe "iz nichego") menyaetsya verhnyaya granica entropii. Pri nepreryvnoi podkachke energii entropiya mogla by rasti beskonechno. My ne budem podrobnee ostanavlivat'sya na idee nesohraneniya energii i izmeneniya drugih zakonov, izvestnyh nam seichas, i ogranichimsya tem, chto vse vozmozhnye varianty ne menyayut tendencii k odnonapravlennoi evolyucii.

Naibolee ser'eznoe znachenie, na nash vzglyad, imeyut soobrazheniya, ob'edinyaemye tret'im punktom. Chashe vsego, govorya o neprimenimosti vtorogo zakona ko Vselennoi, vydvigayut tri argumenta. Pervyi iz nih naibolee prost - nel'zya, yakoby, ekstrapolirovat' na beskonechnost' zakon, ustanovlennyi dlya konechnyh vo vremeni i prostranstve sistem. Neubeditel'nost' etogo argumenta sleduet iz togo, chto odnovremenno dopuskaetsya vozmozhnost' ekstrapolyacii vseh ostal'nyh zakonov, naprimer, zakona sohraneniya energii. V kazhdom konkretnom sluchae neobhodimo eshe ustanovit', pochemu ekstrapolyaciya nedopustima ili vozmozhna.

Vtoroi argument - nezamknutost' Vselennoi, poskol'ku vtoroi zakon termodinamiki spravedliv lish' dlya zamknutyh sistem. Mozhno bylo by vystavit' zdes' i kontrargument - dlya Vselennoi v celom net nichego vneshnego po opredeleniyu. Poetomu ee mozhno schitat' i zamknutoi, hotya luchshe vsego zdes' bylo by skazat', chto ponyatiya zamknutosti i nezamknutosti po otnosheniyu k takomu specifichnomu ob'ektu, kotoryi vklyuchaet v sebya vse sushee, ne mogut byt' opredeleny. No mozhno i ne apellirovat' k ponyatiyu celogo. Ochen' bol'shie chasti lyubyh sistem voobshe skoree zamknuty: chem bol'shuyu chast' Vselennoi my rassmatrivaem, tem men'she dlya nee, voobshe govorya, otnoshenie ogranichivayushei poverhnosti k ob'emu. Rol' vneshnih vozdeistvii stanovitsya dlya takoi chasti vse menee sushestvennoi. Esli zhe uchest' nalichie gorizonta vidimosti, iz-za kotorogo nikakie vzaimodeistviya k nam ne dohodyat, astronomicheskuyu Vselennuyu vpolne dopustimo schitat' zamknutoi. Vprochem, zdes' est' svoi slozhnosti, na kotoryh ostanavlivat'sya tozhe ne budem.

Poslednii, tretii argument iz chisla obychno ispol'zuemyh - nestacionarnost' Vselennoi. Pomimo togo, chto imenno ona (naryadu s konechnost'yu skorosti sveta) privodit k poyavleniyu gorizonta, nestacionarnost' ne daet vozmozhnosti ustanovit'sya sostoyaniyu s S_max, poskol'ku ono predpolagaetsya neizmennym, t.e. kak budto stacionarnym. V deistvitel'nosti eto vovse ne tak. V teh odnorodnyh i izotropnyh modelyah Vselennoi, kotorye chashe vsego rassmatrivayut kosmologi, rasshirenie napominaet uvelichenie ob'ema gaza, proishodyashee bez podvoda ili otvoda tepla. Takie processy nazyvayutsya adiabatnymi i proishodyat oni bez izmeneniya entropii. Ne menyaet rasshirenie Vselennoi i velichiny Smah! Iz-za raznoobraznyh neobratimyh yavlenii, kotorye soputstvuyut rasshireniyu Vselennoi, entropiya vse zhe rastet. Poetomu tendenciya rosta sohranyaetsya, nesmotrya na rasshirenie. Razumeetsya, pri ego neogranichennosti rano ili pozdno prekratitsya vzaimodeistvie mezhdu otdel'nymi telami i sostoyanie "zamorozitsya" na nekotorom otlichnom ot maksimal'nogo urovne. Takoe sostoyanie ne yavlyaetsya klassicheskoi teplovoi smert'yu, no po sushestvu malo chem ot nee otlichaetsya. Ved' vsyakoe razvitie zdes' tozhe prekrashaetsya. Nizhe eta situaciya budet rassmotrena podrobnee.

Dlya pul'siruyushei Vselennoi kartina povedeniya entropii okazyvaetsya lish' nemnogo drugoi. Dlya odnorodnoi sistemy vse pul'sacii okazyvayutsya odinakovymi i tozhe idut pri postoyanstve entropii. Esli uchest' vnutrennie neobratimye processy, rost entropii snova neizbezhen, prichem v celom entropiya rastet i ot pul'sacii (Ya. B. Zel'dovich i I. D. Novikov). Na kakoi-to iz rannih stadii entropiya po idee dolzhna byt' minimal'noi, mozhet byt', ravnoi nulyu. Sledovatel'no, esli v budushem vozmozhen neogranichennyi rost entropii, to v proshlom my dolzhny dopustit' neizbezhnost' nekotorogo absolyutnogo nachala, chto s obshemetodologicheskoi tochki zreniya nichut' ne luchshe priznaniya konca razvitiya. Vprochem, zdes' snova mozhno vspomnit' ob uslovnom nachal'nom momente, kogda v gipermire poyavilas' fluktuaciya "nuzhnogo" masshtaba, ob'yasnyayushaya i opredelyayushaya vse dal'neishee povedenie.

Po nashemu mneniyu, neprimenimost' vtorogo zakona termodinamiki ko vsei Vselennoi imeet bolee glubokii smysl, svyazannyi s ee beskonechnym raznoobraziem. Ono mozhet byt' nachal'nym, no mozhet byt' i rezul'tatom razvitiya bolee prostogo obrazovaniya, opisyvaemogo na pervyh porah prostymi modelyami, o kotoryh vyshe govorilos'. No dazhe v ramkah standartnoi relyativistskoi kosmologii my stalkivaemsya s vozmozhnost'yu ispol'zovaniya razlichnyh odnorodnyh modelei dlya opisaniya odnogo i togo zhe raspredeleniya veshestva. V etoi svyazi sformulirovan princip kosmologicheskoi neopredelennosti Mak-Reya. V raznyh modelyah esli ne obshii harakter, to temp izmenenii okazyvaetsya principial'no neodinakovym - vplot' do togo, chto vremya evolyucii, beskonechnoe v odnih modelyah, mozhet byt' konechnym v drugih. To zhe kasaetsya i prostranstvennyh svoistv modelei. Dlya illyustracii etogo predstavim sebe, chto fizicheskii mir obladaet neobychainym svoistvom - umen'shat' masshtaby pri dvizhenii ot nekotorogo centra. A imenno, delaya shag, my po kakoi-to prichine udalyaemsya ot centra vsego na polshaga. Delaya vtoroi, prodvigaemsya vsego na chetvert' i t.d. Ochevidno, sdelav skol' ugodno mnogo shagov, my ne prodvinemsya vpered bol'she, chem na odin pervonachal'no otmerennyi shag. No podobnoe, esli i ne v tochnosti takoe umen'shenie na samom dele proishodit pri dvizhenii s bol'shoi skorost'yu po otnosheniyu k nekotoroi laboratornoi sisteme otscheta pri rasshirenii Vselennoi - eto izvestnoe lorencevo sokrashenie dvizhushihsya masshtabov. A. L. Zel'manov obratil vnimanie na to, chto beskonechnyi v svoei koordinatnoi sisteme mir mozhet byt' lish' chast'yu drugogo mira. Pri etom poslednii v svoei koordinatnoi sisteme mozhet byt' dazhe konechnym! Takim obrazom, ponyatiya konechnosti i beskonechnosti (ne tol'ko prostranstvenni no i vremennoi) yavlyayutsya ne absolyutnymi, a otnositel'nymi.

Eshe bolee slozhnaya situaciya mozhet byt' v neodnorodnoi sisteme s vrasheniem. Zdes', kak okazyvaetsya, nel'zya neprotivorechivym obrazom vvesti ponyatie odnovremennosti sobytii. Prostranstvo, kak govoryat, stanovitsya negolonomnym. Vse eto oznachaet, chto lishaetsya smysla ponyatie "sostoyanie sistemy v opredelennyi moment vremeni". A nalichie gorizonta, nesvyaznost' ili mnogosvyaznost' bol'shih oblastei gipermira delayut somnitel'nym i samo ponyatie edinoi fizicheskoi sistemy po otnosheniyu ko Vselennoi. V etih usloviyah, po nashemu mneniyu, net smysla vvodit' ili kak-to oboshat' global'nye ponyatiya, takie, kak polnaya energiya, entropiya, veroyatnost' sostoyaniya.

My ne ostanavlivaemsya zdes' na vazhnoi roli (podcherkivaemoi A. P. Trofimenko) v termodinamike tak nazyvaemyh otonov, v chastnosti, vrashayushihsya (kerrovskih) chernyh dyr, kotorye predstavlyayut soboi yarkii primer neodnorodnostei v mire, delayushih ego mnogosvyaznym. Tem bolee nevozmozhno zdes' govorit' o yavleniyah, opredelyaemyh vozmozhnoi raznomernost'yu otdel'nyh chastei gipermira i prochem vazhnom i interesnom, chto, odnako, fizicheskoi naukoi tol'ko dopuskaetsya, no detal'no poka ne izucheno.

Summiruya skazannoe, eshe raz vydelim vozmozhnye varianty izmeneniya entropii i veroyatnosti sostoyaniya v mire, pri kotoryh o teplovoi smerti mozhno zabyt': 1. Entropiya uvelichivaetsya neogranichenno. 2. Vse sostoyaniya Vselennoi imeyut primerno odinakovye veroyatnosti sostoyaniya i entropii, ves'ma dalekie ot maksimal'nyh znachenii. 3. Ponyatiya entropii i veroyatnosti sostoyaniya dlya sushestvenno neodnorodnoi i, vozmozhno, mnogosvyaznoi Vselennoi ne imeyut smysla. Kazhdyi variant reshaet problemu po-svoemu. Krome togo, pervyi perenosit, po sushestvu, problemu konca razvitiya kuda-to v nachalo, chto kazhetsya malo podhodyashim dlya gipermira ili Vselennoi v celom.

Vse skazannoe imeet ves'ma obshii harakter, no dalekoe otnoshenie k real'noi zhizni. Chasto chitatelei interesuet gorazdo bolee blizkoe budushee. V XVI veke Nostradamus predskazyval gromadnye kataklizmy, zhdushie zemlyan v XXII-XXIII vekah, v chastnosti, v svyazi s opasnym priblizheniem Luny k Zemle. Vozmozhno li eto? V blizhaishee vremya - edva li, hotya mnogie kosmicheskie katastrofy nepredskazuemy. Vspomnim o padenii v 1908 g. v raione reki Podkamennaya Tunguska gigantskogo "meteorita". Soglasno idee, vyskazannoi eshe v 30-h godah angliiskim meteorologom Frensisom Uiplom (odnofamil'cem amerikanskogo astronoma) i I. S. Astapovichem, etot meteorit v deistvitel'nosti byl yadrom nebol'shoi komety (mikrokomety) ili oskolkom bolee krupnoi, na rol' kotoroi pretenduet izvestnaya kometa Enke. Padenie eshe bol'shih krupnyh tel na Zemlyu i drugie planety tozhe vozmozhno i, vidimo, ne raz byvalo v proshlom. V poslednie gody mnogo pisali o tom, chto Solnce mozhet byt' ne odinochnoi, kak my dumaem, a dvoinoi zvezdoi. Pri etom ego gipoteticheskii sputnik Nemezida dvizhetsya po ochen' vytyanutoi ellipticheskoi orbite i nahoditsya v nastoyashee vremya daleko. Prohodya inogda skvoz' kometnoe oblako, okruzhayushee Solnechnuyu sistemu, Nemezida proizvodit v nem bol'shie vozmusheniya ("kosmicheskii perepoloh"), posle chego mnozhestvo kometnyh yader, v tom chisle i krupnyh, ustremlyaetsya vo vnutrennie oblasti Solnechnoi sistemy. Nekotorye komety, stolknuvshis' s Zemlei, sposobny vyzvat' pomutnenie atmosfery, v rezul'tate chego usloviya na planete stanut pohozhi na posledstviya mnogih atomnyh vzryvov odnovremenno. Posle takoi pochti "yadernoi zimy" zhizn' na Zemle mozhet okazat'sya na grani ischeznoveniya. No v kosmicheskom masshtabe takoe sobytie vryad li budet vosprinyato zhitelyami inyh mirov kak katastrofa.

Ustroistvo Solnechnoi sistemy takovo, chto krupnye ob'ekty dvizhutsya po ustoichivym traektoriyam, nesmotrya na vzaimnye gravitacionnye vozmusheniya. Bol'shie poluosi orbit, ekscentrisitety i vzaimnyi naklon orbit menyayutsya v sravnitel'no nebol'shih predelah. Orbity kak by nemnogo pul'siruyut i pokachivayutsya. Odnako esli govorit' o promezhutkah vremeni, ischislyaemyh desyatkami milliardov let, nuzhno uchityvat' odnovremenno mnogo dobavochnyh faktorov, kotorye v obychnyh raschetah ustoichivosti opuskayutsya. Eto i vliyanie proletayushih ryadom zvezd, i postepennoe umen'shenie massy Solnca, i mnogoe drugoe.

Chto kasaetsya malyh tel, to v celom ih evolyuciya bolee opredelenna, hotya konkretnaya sud'ba kazhdogo chashe vsego ne mozhet byt' predskazana. Izvestno, chto orbity komet sil'no transformiruyutsya prityazheniem bol'shih planet: s techeniem vremeni uvelichivaetsya oblast' vozmozhnyh znachenii parametrov ih orbit. Esli izmenyaetsya srednee rasstoyanie ot Solnca, to kometa libo priblizitsya k nemu, libo pokinet Solnechnuyu sistemu. B. V. Chirikov, naprimer, rascchital podobnyi harakter evolyucii orbity komety Galleya. Konechno, do sushestvennogo izmeneniya orbity vozmozhna gibel' komety po inym prichinam. Kazhetsya, chto-to takoe proizoshlo v deistvitel'nosti. V dekabre 1990 g. eta kometa, vozmozhno, stolknulas' s meteoritom na rasstoyanii 14 a.e. ot Solnca. Naskol'ko eto "travmirovalo" kometu i izmenilo ee orbitu - neizvestno.

Interesna budushaya istoriya Luny kak sputnika Zemli. Ona opredelyaetsya tak nazyvaemym prilivnym treniem. Sut' ego sostoit v tom, chto prilivy v zemnyh okeanah, tochnee prilivnye gorby, smeshayutsya po poverhnosti okeanov v storonu, protivopolozhnuyu vrasheniyu Zemli. Proishodit eto potomu, chto gorby vse vremya stremyatsya sledovat' za Lunoi, kotoraya peremeshaetsya po nebosvodu s uglovoi skorost'yu men'shei, chem uglovaya skorost' vrasheniya Zemli. Sdvigayas', gorby peredayut chast' svoego dvizheniya okeanu, chto privodit, v konechnom schete, k treniyu o dno okeana, perehodu chasti kineticheskoi energii v teplovuyu i zamedleniyu vrasheniya Zemli. Odnovremenno prityazhenie so storony gorbov, ochen' maloe, no deistvuyushee v techenie dlitel'nogo vremeni, zamedlyaet dvizhenie Luny i privodit k ee udaleniyu. Zametim, chto prilivy imeyut mesto ne tol'ko v okeanah, no i v tverdoi obolochke, chto vyrazhaetsya v nekotoroi ee deformacii. Zemnye prilivy kogda-to zatormozili vrashenie Luny i teper' ona povernuta k Zemle vse vremya odnoi storonoi. Dzhon Darvin (syn znamenitogo Charlza Darvina) rascchital harakter vseh dvizhenii i prishel k vyvodu, chto v dalekom budushem Zemlya budet delat' 1 oborot vokrug svoei osi za 50 nyneshnih sutok. Luna pri etom budet nahodit'sya na rasstoyanii, primerno v 1.5 raza bol'shem, chem seichas. Konechnoe sostoyanie interesno tem, chto v itoge Zemlya budet povernuta k Lune tozhe odnoi storonoi. V takom sostoyanii seichas nahoditsya Pluton so sputnikom Haronom - oni vdvoem vrashayutsya kak edinoe celoe, buduchi povernutymi kazhdyi drug k drugu vsegda odnoi storonoi. U Zemli podobnoe sostoyanie moglo by nastupit' lish' cherez desyatki ili sotni milliardov let. Tochnye raschety zdes' nevozmozhny.

Vprochem, my zabyli o solnechnyh prilivah. Oni tozhe deistvuyut, v tom chisle i v tverdoi obolochke Zemli. Okazyvaetsya, s uchetom ih, Luna, ne dostignuv predel'nogo udaleniya, snova nachnet priblizhat'sya k Zemle. Kak tut opyat' ne vspomnit' Nostradamusa, hotya yasno, chto sroki ischislyayutsya sovsem drugimi poryadkami velichin. Kogda Luna priblizitsya na rasstoyanie 2,9 zemnyh radiusa, ona budet razorvana silami zemnogo prityazheniya na chasti. Eto sluchitsya cherez 10¹² let, esli vse ostal'nye faktory ostanutsya bez izmenenii, chto maloveroyatno.

Trillion let - gromadnyi srok. Za gorazdo men'shee vremya, poryadka 10¹⁰ let, Solnce ischerpaet vse zapasy vodoroda i drugih vozmozhnyh istochnikov energii i prevratitsya v belyi karlik. Takaya sud'ba zhdet bol'shinstvo zvezd Galaktiki. Naimenee massivnye mogut medlenno ugasat' v techenie eshe na poryadok bol'shih vremen. Tem ne menee, budut poyavlyat'sya i novye molodye zvezdy, hotya i vo vse men'shem tempe, poskol'ku zapasy mezhzvezdnogo veshestva rashoduyutsya bystree, chem popolnyayutsya.

Kak vidim, my snova pereshli v oblast' ochen' bol'shih vremen, gde strogii analiz stanovitsya nevozmozhnym i vse bol'shuyu rol' nachinayut igrat' gadaniya, hotya i osnovannye na razvitii nyneshnih predstavlenii. V chastnosti, dazhe dlya evolyucii malyh tel stanovitsya vazhnym, kak vedet sebya Vselennaya v masshtabah hotya by do gorizonta vidimosti. Esli Vselennaya zakryta ili pochti zakryta (chto predstavlyaetsya naibolee veroyatnym s nyneshnih pozicii), to rano ili pozdno nastupit smena rasshireniya szhatiem. V konechnom schete nezavisimo ot evolyucii otdel'nyh zvezd vse veshestvo soberetsya v ochen' malom ob'eme. Dlya zakrytoi modeli etot ob'em budet sootvetstvovat' vsemu vozmozhnomu v etoi modeli prostranstvu. Na kakoi-to stadii szhatiya veshestvo snova pereidet v vakuumopodobnoe sostoyanie, iz kotorogo kogda-to takoi mir i voznik, posle chego ne isklyucheno novoe rasshirenie v vide drugogo mira. Kak predpolagayut nekotorye uchenye, v novom mire mozhet okazat'sya kak takoe zhe, tak i sovsem inoe sochetanie fizicheskih zakonov. V poslednem sluchae v mire edva li poyavyatsya "nablyudateli". Kak my seichas dumaem, zhizn' vozmozhna lish' pri ves'ma uzkih dopuskah ne tol'ko dlya lokal'nyh parametrov (elementarnogo elektricheskogo zaryada, postoyannoi Planka i t.p.), no i dlya global'nyh (naprimer, skorosti razbeganiya galaktik, kak polagaet G. M. Idlis). Poetomu drugie myslimye miry ostanutsya lish' predmetom teoreticheskih razmyshlenii.

Chto nas zhdet, esli Vselennaya otkryta i budet rasshiryat'sya vechno? Schitaetsya, chto poslednie zvezdy pogasnut cherez 10¹⁴ let. Za eto vremya izmenitsya i sama zvezdnaya sistema. V rezul'tate blizkih prohozhdenii zvezd cherez 10¹⁶ let vse planetnye sistemy budut razrusheny. Spustya 10¹⁸ let te zhe blizkie prohozhdeniya vybrosyat iz galaktik bol'shuyu chast' zvezd v mezhgalakticheskoe prostranstvo. Ostavshayasya massa sozhmetsya i, skoree vsego, obrazuet gigantskuyu "galakticheskuyu" chernuyu dyru. Sledovatel'no, udalyatsya drug ot druga budut uzhe ne galaktiki, a otdel'nye zvezdy i chernye dyry. Zametim, kstati, chto zdes' processy idut tozhe ne v napravlenii vyravnivaniya plotnostei i skorostei, kak v klassicheskom ponimanii teplovoi smerti, a privodyat, naoborot, k vozrastaniyu razlichii. Analiz pokazyvaet, chto chernye dyry sosredotachivayut bol'shuyu chast' potencial'noi energii, togda kak kineticheskaya energiya peredaetsya haoticheski dvizhushimsya zvezdam. Napomnim, chto my ogranichilis' rassmotrenim sud'by prosteishih odnorodnyh kosmologicheskih modelei, togda kak samo razvitie, kak my neodnokratno pokazyvali, privodit k poyavleniyu strukturnosti i neodnorodnostei. Zdes' ne bylo vozmozhnosti govorit' o gipotezah, svyazannyh s veroyatnoi mnogosvyaznost'yu i negolonomnost'yu prostranstva i o mnogih uzhe ustanovlennyh zakonomernostyah i osobennostyah real'nogo mira. O roli poslednih na bol'shih promezhutkah vremeni my nichego skazat' ne mozhem.

Govorya o dal'neishei sud'be mira, nado uchest', chto bol'shinstvo sovremennyh teorii elementarnyh chastic predskazyvaet raspad protonov na bolee legkie chasticy s harakternym vremenm 10³¹-10³² let. Esli eto tak, cherez 10³³ let vo Vselennoi prakticheski ne ostanetsya atomov i molekul. Ee budut zapolnyat' lish' legkie chasticy - elektrony, fotony, neitrino, da medlenno isparyayushesya chernye dyry. Pri etom poslednie chernye dyry ischeznut cherez 10¹⁰⁰ let. K etomu vremeni mogut annigilirovat' (ne vse!) elektrony i pozitrony i Vselennaya budet predstavlyat' soboi rasshiryayushiisya i ohlazhdayushiisya v osnovnom neitrinno-fotonnyi gaz. Eto ne klassicheskaya teplovaya smert', no nechto pohuzhe (!) - dazhe bez nadezhdy na lokal'noe "ozhivlenie" hotya by v poryadke nichtozhno malo veroyatnoi bol'cmanovskoi fluktuacii.

Dumaetsya, mnogoe iz skazannogo nikogda ne osushestvitsya. I ne potomu, chto avtor sklonyaetsya skoree k modeli ciklicheski pul'siruyushego zakrytogo ili poluzamknutogo mira. Skoree delo v tom, chto prognozy osnovany na sovremennoi kosmologii i na teorii elementarnyh chastic, kotorye bystro razvivayutsya. Uzhe v blizhaishie gody kosmomikrofizika mozhet zastavit' nas snova i ne v poslednii raz peresmotret' nashi vzglyady na mir, v kotorom my zhivem.

Publikacii s klyuchevymi slovami: Vselennaya - Metagalaktika - Kosmologiya Publikacii so slovami: Vselennaya - Metagalaktika - Kosmologiya
Sm. takzhe: "Illyustris" modeliruet Vselennuyu Edvin Habbl otkryvaet Vselennuyu Karta nablyudaemoi Vselennoi Poslanie ot gravitacionnoi Vselennoi Raskras'te Vselennuyu Stepeni desyati Earendel: zvezda v rannei Vselennoi Vse publikacii na tu zhe temu >>