В начале фазы сжатия астрономы (если таковые останутся) будут развлекаться, наблюдая одновременно и красное и синее смещения. Принимаемый ими свет от близких галактик испущен тогда, когда Вселенная была больше, чем в момент наблюдения. Поэтому все волны будут сдвигаться в коротковолновую – синюю – область спектра. Но наиболее удаленные объекты свет покинул тогда, когда Вселенная находилась на самых ранних стадиях расширения – т. е. была даже меньше, чем сейчас. Следовательно, линии в их спектре будут сдвигаться в длинноволновую, красную, область.
Температура фонового излучения и нейтрино, всегда пропорциональная размеру Вселенной, тоже сначала будет падать, но потом начнет расти в зависимости от того, расширяется Вселенная или сжимается. Если космическая плотность в два раза больше критической, то в кульминационный момент Вселенная, как показывают вычисления, будет больше, чем сейчас, в те же два раза. Значит, температура реликта упадет по сравнению с современными 3 К в два раза и достигнет примерно 1,5 К.
Поначалу причин для беспокойства не будет. В течение еще миллиардов лет реликтовое излучение будет настолько холодным, что его с трудом можно будет зарегистрировать. Но когда размер Вселенной станет в сто раз меньше нынешнего, все небо окажется засвеченным микроволновым фоном: ночью оно будет таким же теплым, как сейчас днем (300 К). Еще через семьдесят миллионов лет Вселенная сожмется еще в десять раз, и наши наследники (если таковые найдутся) уже не смогут смотреть на небо невооруженным глазом. Молекулы в атмосферах планет и звезд, а также в межзвездном пространстве начнут диссоциировать на атомы, а те, в свою очередь, распадутся на свободные электроны и ядра. Еще через 700 тысяч лет температура фотонов поднимется до 10 миллионов градусов, и тогда сами звезды и планеты начнут растворяться в космическом бульоне, состоящем из излучения, электронов и ядер. Буквально через 22 дня температура Вселенной достигнет 10 миллиардов градусов, при которых ядра начнут распадаться на протоны и нейтроны, разрушая тем самым все плоды звездного и космологического нуклеосинтезов. Вскоре столкновения фотонов начнут приводить к обильному появлению электронов и позитронов, а космологический фон нейтрино и антинейтрино снова придет в тепловой контакт с остальной Вселенной.
Можем ли мы проследить эту драму до трагического финала, до состояния с бесконечными температурой и плотностью? Остановится ли само время примерно через три минуты после того, как температура достигнет миллиарда градусов? На эти вопросы, конечно, ответить невозможно. Все проблемы, с которыми мы столкнулись в предыдущей главе, пытаясь восстановить первую сотую долю секунды, напоминают о себе и в ее последнюю сотую долю. В любом случае при температуре выше 100 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов градусов (1032 К) о космосе можно рассуждать только на языке квантовой механики, но пока никто не знает, как это делать. Кроме того, если Вселенная на самом деле неоднородна и неизотропна (см. конец главы 5), то вся эта картина теряет смысл задолго до того, как мы наталкиваемся на проблемы квантовой космологии.
Во всей этой неопределенности некоторые космологи находят источник надежды. Возможно, Вселенная как-то «отскочит» от сингулярного состояния и снова станет расширяться. В «Младшей Эдде» после Рагнарека, битвы богов и великанов, Земля погибает в воде и огне. Но потом вода отступает, сыновья Тора возвращаются из Хель с молотом своего отца, и история мира начинается с чистого листа. Но если Вселенная отразится и снова станет расширяться, однажды это расширение опять сменится сжатием. А последнее завершится очередным космическим Рагнареком, приводящим к отскоку, – и так будет продолжаться бесконечно.
Если таково наше будущее, то, наверное, прошлое от него ничем не отличается. Тогда получается, что современная расширяющаяся Вселенная возникла в результате предыдущего сжатия и отскока. (Кстати, в своей статье о микроволновом фоне в 1965 г. Дикке, Пиблс, Ролл и Уилкинсон предполагали, что мироздание успело пережить одну полную стадию расширения и одну – сжатия. Они также утверждали, что при сжатии температура могла достигуть отметки в 10 миллиардов градусов – тогда тяжелые элементы, образовавшиеся на предыдущей стадии, распались бы на составляющие их частицы.) Глядя в прошлое, можно вообразить себе бесконечно повторяющийся цикл из расширений и сжатий, у которого нет ни начала, ни конца.
С философской точки зрения многим космологам симпатична именно эта модель осциллирующей Вселенной. Она, как и теория стационарной Вселенной, изящно обходит вопрос о начале бытия. Впрочем, эта модель страдает от серьезного теоретического изъяна. С каждым циклом число фотонов на один нуклон (или, точнее, энтропия на нуклон) из-за своего рода трения во время расширения и сжатия (так называемая объемная вязкость) становится чуть больше. Насколько мы можем судить, мир тогда вступает в очередную фазу своего развития с несколько большим отношением числа фотонов к нуклонам. Сейчас это соотношение довольно велико, но оно не бесконечно большое. Поэтому сложно представить, каким образом Вселенная могла пройти через бесконечное количество циклов.
Конечно, рано или поздно все эти проблемы будут разрешены. Однако какая бы космологическая модель ни оказалась правильной, удовлетворения это принесет мало. Человеку свойственно верить, будто он занимает во Вселенной какое-то особое место, что он – не шутка случая, затесавшегося в цепочку событий, уходящую корнями к первым трем минутам, что его появление было запланировано с самого начала. Я пишу эти строчки в самолете – лечу из Сан-Франциско к себе домой в Бостон, а в эту самую секунду пролетаю над Вайомингом на высоте 10 км. Земля внизу кажется очень доброй и уютной: здесь и там пушистые облака, садящееся солнце окрасило снег в розовый цвет, прямыми линиями из одного конца страны в другой бегут дороги… С трудом верится, что все это – лишь песчинка в ужасно негостеприимном мироздании. Еще сложнее принять то, что современная Вселенная родилась из какого-то до боли странного состояния и что ей суждено закончить свои дни либо в плавильной печи, либо обездвиженной холодом. Чем больше мы понимаем мироздание, тем меньше смысла в нем находим.
Но если не приносят облегчения плоды наших исследований, можно попытаться найти утешение в самом этом процессе. Люди не готовы довольствоваться сказками о богах и великанах и замыкаться в своих будничных заботах. Они сооружают телескопы, запускают спутники, строят ускорители и часами сидят в своих кабинетах, по крупицам отыскивая истину в полученных в эксперименте данных. Стремление понять Вселенную – одна из немногих вещей, превращающих человеческую жизнь в нечто большее, чем бессмысленный фарс, и придающих ей оттенок трагедии.
Таблицы
I. Свойства некоторых элементарных частиц
Свойства некоторых элементарных частиц. Энергия покоя – та, которая высвободится, если всю массу частицы превратить в энергию. Температурный порог – это энергия покоя, деленная на постоянную Больцмана. Это температура, при которой частицы начинают свободно рождаться из находящегося в тепловом равновесии излучения. Эффективное число степеней свободы показывает, какой вклад в полную энергию, давление и энтропию дают рассматриваемые частицы при температуре много большей, чем температурный порог. Это число является произведением трех сомножителей. Первый – 2 или 1 – показывает, есть ли у данной частицы отличная от нее античастица. Второй равен числу всевозможных ориентаций спина частицы. Наконец, третий – 7/8 или 1 – говорит о том, подчиняется ли частица принципу запрета Паули или нет. Время жизни – это средний срок, после которого частица претерпевает радиоактивный распад на другие частицы.
