Когда-нибудь погаснет последняя звезда. Не взорвётся, не рассыплется драматически — просто медленно остынет и перестанет светить. Во Вселенной станет темно. Навсегда. Физики знают, когда это случится. И знают, что будет потом.
Будет хуже.
Астрофизики Фред Адамс из Мичиганского университета и Грег Лафлин из Калифорнийского в 1999 году опубликовали книгу «Пять эпох Вселенной» — первую попытку систематически описать будущее космоса от сегодняшнего дня до абсолютного конца. Они разделили всё время на пять фаз и ввели понятие космологического десятилетия: n-е десятилетие — это 10ⁿ лет. Мы сейчас живём в десятилетии n = 10. Впереди — n = 10⁷⁶.
И это ещё не конец.
Сейчас — золотой век. Мы просто не замечаем
Мы живём в лучшее время во Вселенной.
Не в смысле политики. В смысле физики.
Сейчас — эпоха звёзд, Stelliferous Era. Она продолжается 13,8 миллиарда лет и продлится ещё примерно в сто раз дольше. Галактики горят. Туманности светятся. Сверхновые вспыхивают и гаснут, разбрасывая тяжёлые элементы по пространству — углерод, кислород, железо, из которых сделаны звёзды, планеты и мы.
По меркам вечности — это полдень.
Через 100 триллионов лет иссякнет межзвёздный газ. Новые звёзды перестанут рождаться. Последними догорят красные карлики — самые маленькие, самые экономные, способные гореть триллионы лет на ничтожном запасе водорода. Но и они погаснут.
Без взрыва. Без финального аккорда. Просто свет — везде и сразу — начнёт убывать. Как гаснет город во время блэкаута: сначала окраины, потом центр, потом темнота.
И никто не придёт починить.
Вырожденная эпоха: 10¹⁴ — 10⁴⁰ лет
Галактики не исчезнут сразу. Они просто перестанут светить.
Останутся тела — белые карлики, нейтронные звёзды, коричневые карлики, планеты-сироты, выброшенные гравитацией на межгалактические просторы. Всё это медленно дрейфует в темноте, постепенно остывая. Никакого огня. Никакого света. Только гравитация, удерживающая мёртвые объекты вместе — по привычке.
Иногда — раз в триллионы лет — два коричневых карлика столкнутся и на короткое время вспыхнут. В целой галактике размером с Млечный Путь в любой момент горит несколько таких случайных огней. Представьте город после катастрофы: тысячи кварталов в темноте, и где-то на окраине — одно окно с мерцающей свечой.
Но главное происходит глубже, на уровне материи.
Если протоны нестабильны — а некоторые теории великого объединения это допускают — они начнут медленно распадаться. За 10⁴⁰ лет из сегодняшних 10⁸⁰ частиц не останется почти ничего. Белый карлик на протонном распаде светит как несколько лампочек на весь объём мёртвой звезды. Вся галактика таких объектов даёт меньше света, чем наше Солнце прямо сейчас.
Потом гаснет и это...
Камни. Планеты. Звёздные трупы. Всё медленно испаряется в излучение. Материя буквально перестаёт существовать — не взрывается, не разрушается, а тихо превращается в тепло, которое рассеивается в пустоте.
Если протоны окажутся стабильными — вырожденная эпоха просто затянется. Хоррор продолжится дольше.
Эпоха чёрных дыр: 10⁴⁰ — 10¹⁰⁰ лет
Когда распадётся последний протон, во Вселенной останется одно.
Чёрные дыры.
Им не нужны звёзды, газ или свет. Они не стареют в привычном смысле. Они просто есть — тёмные, холодные, почти неподвижные — и медленно поглощают остатки материи. К этому моменту почти вся масса Вселенной заперта в них. Нет галактик. Нет планет. Нет атомов. Есть только чёрные дыры разных размеров и почти пустое пространство между ними.
Почти.
Стивен Хокинг в 1974 году показал: чёрные дыры медленно испаряются. Квантовые эффекты у горизонта событий приводят к утечке энергии — крохотной, почти нулевой, но неостановимой. Маленькая звёздная дыра испарится за 10⁶⁷ лет. Сверхмассивная — вроде той, что сидит в центре нашей Галактики, — доживёт до 10¹⁰⁰ лет. Один с сотней нулей.
Ультрамассивные монстры — вроде TON 618, одной из самых тяжёлых известных чёрных дыр с массой в десятки миллиардов Солнц, — по некоторым оценкам продержатся до 10^(10⁷⁶) лет. Это число нельзя произнести. Нельзя представить. Если записать его полностью — цифр не хватит во всей видимой Вселенной.
Одна за другой они уходят. Каждая в момент гибели выплёскивает последний всплеск излучения — короткий, яркий, финальный. И гаснет.
В пространстве становится чуть темнее. Ещё чуть. Ещё...
Последняя чёрная дыра во Вселенной умирает в абсолютном одиночестве. Некому это наблюдать. Некому записать. Вспышка — и тишина.
Дайсон против Кэрролла: два ответа на один ужас
Перед лицом этой картины физики реагируют по-разному.
Фримен Дайсон — один из крупнейших физиков XX века — до конца оставался оптимистом. Он рассуждал: если разум существует достаточно долго, он научится управлять энергией на космологических масштабах. Дайсон представлял цивилизации, которые буквально собирают галактики гравитацией — стягивают их в кулак, накапливают энергию до того, как ускоренное расширение разорвёт все связи. Масштаб безумный, но физических запретов нет. Это единственный вид оптимизма, который не противоречит термодинамике.
Физик Шон Кэрролл из Калтеха смотрит на это иначе. Он развил идею, восходящую к самому Больцману: если Вселенная существует достаточно долго в состоянии тепловой каши, случайные квантовые флуктуации с ненулевой вероятностью могут собрать из хаоса отдельное сознание — «мозг Больцмана». Термин ввели физики Андреас Альбрехт и Лоренцо Сорбо в 2004 году, и с тех пор он не даёт покоя космологам. Не жизнь, не цивилизацию — просто одинокое сознание, вспыхнувшее из ничего, существующее долю секунды в абсолютной пустоте — и исчезнувшее обратно. Без контекста, без истории, без другого.
В бесконечно старой Вселенной таких случайных сознаний может стать больше, чем всех наблюдателей, когда-либо рождённых нормальным путём. Больше, чем всех людей, которые когда-либо жили. Больше, чем всех существ во всех возможных мирах.
Одинокие вспышки сознания в вечной тьме. Без начала. Без конца. Без смысла.
Это не утешение. Это другой вид хоррора.
Тёмная эпоха: после 10¹⁰⁰ лет
Вот что остаётся.
Разрежённый газ фотонов и лёгких частиц. Электроны и позитроны иногда встречаются в пространстве, образуют нестабильный атом — позитроний (экзотический «атом» из электрона и его античастицы, живущий доли секунды) — и аннигилируют, выплёскивая два гамма-кванта. Больше нет структур. Нет звёзд. Нет галактик. Нет атомов. Температура везде одинаковая — предельно низкая, почти неотличимая от абсолютного нуля. Энергия распределена равномерно.
Это и есть тепловая смерть.
Не взрыв. Не коллапс. Просто — конец возможности что-либо делать. Для совершения работы нужен перепад температур. Перепада нет. Вселенная жива — в том смысле, что существует, — но мертва в том смысле, что в ней уже ничего не может произойти. Никогда.
Лорд Кельвин описал эту логику ещё в XIX веке, не зная ни квантовой механики, ни расширения Вселенной. Просто взял второй закон термодинамики и экстраполировал на всё сразу: система, предоставленная сама себе, движется к равновесию. Вселенная — система. Конец очевиден.
Он был прав.
Представьте океан. Бесконечный, абсолютно спокойный. Ни волн, ни течений, ни ветра. Температура везде одинаковая. Ничто не движется — потому что некуда двигаться, нет никакого «туда». Нет верха, нет низа. Нет тепла, нет холода. Просто — есть.
Вот что ждёт Вселенную. Вероятно, навсегда.
Направление одно
Всё это — модели. Протоны могут оказаться стабильными. Тёмная энергия может вести себя иначе — и тогда Вселенную ждёт не тихое угасание, а Большой Рип: пространство расширяется так быстро, что рвёт сначала галактики, потом планеты, потом атомы. Квантовая гравитация, которую мы пока не понимаем, может переписать детали.
Но второй закон термодинамики работает везде, где мы его проверяли. Расширение Вселенной — измеренный факт. Излучение Хокинга — следствие двух самых проверенных теорий в истории науки. Детали могут меняться. Направление — нет.
Вселенная, по всей видимости, умрёт. Вопрос только в том, как именно.
Зачем об этом думать
Выйдите ночью на улицу. Посмотрите вверх.
Физик Ави Лёб из Гарварда однажды заметил: примерно через триллион лет ускоренное расширение унесёт все внешние галактики за горизонт. Будущие астрономы — если они будут — увидят только свою галактику. Вся остальная Вселенная исчезнет из поля зрения навсегда. Они никогда не узнают, что были другие галактики. Никогда не поймут, что пространство расширяется. Космология как наука станет невозможной.
Нам повезло родиться тогда, когда ещё можно смотреть.
Мы живём в ту единственную эпоху, когда во Вселенной есть свет, тепло, химия и жизнь. До нас была тьма первичной плазмы. После нас — тьма тепловой смерти. Окно между ними крошечное по космическим меркам. Оно открыто прямо сейчас.
Звёзды горят. Пока — для нас.
******
Дисклеймер
Я не физик-теоретик, а любитель науки. Числа в этой статье реальные. Люди, которые их вычислили, получали за это зарплату и иногда премии. Если что-то устарело или неточно — поправьте в комментариях.
Пишу о вещах, после которых по-другому смотришь на мир. Если это ваше — кнопка подписки рядом.
******
Источники:
- Adams F., Laughlin G. «The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity» (1999) — структура пяти эпох, космологические десятилетия, физика каждой фазы
- Hawking S. «Black hole explosions?», Nature, 248 (1974) — излучение Хокинга и испарение чёрных дыр
- Albrecht A., Sorbo L. «Can the universe afford inflation?», Physical Review D, 70 (2004) — введение термина «мозг Больцмана», парадокс флуктуаций в тепловой каше
- Carroll S. «From Eternity to Here» (2010) — развитие концепции болцмановских мозгов, стрела времени и энтропия
- Loeb A. — беседа с Дайсоном об ускоренном расширении и будущем наблюдательной астрономии, Astrobites (2014) — горизонт событий через триллион лет
- «Future of an expanding universe», Reviews of Modern Physics — роль тёмной энергии, сценарии тепловой смерти и Большого Разрыва
- «Heat death of the universe», энциклопедический обзор — термодинамика, история идеи от Кельвина до современности
******
#вселенная #астрофизика #космос #физика #наука #научпоп #астрономия #концвселенной #термодинамика #чёрныедыры