Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

Ограничение до пространственно конечной вселенной выводит нас из многих трагедий и парадоксов бесконечной Больцмановской вселенной. Однако, не из всех. Конечная в пространстве и замкнутая вселенная все еще может жить бесконечное время, и если она никогда не сократится, она будет расширяться вечно. Тогда для нее доступно бесконечное количество времени, чтобы достигнуть теплового равновесия. Если это произойдет, и не важно, как долго это будет длиться, останется бесконечное количество времени, также как и постоянно растущее количество пространства для флуктуаций, создающих невероятные структуры. Следовательно, мы и тут можем утверждать, что все, что может произойти, в конце концов произойдет за бесконечное количество времени. Это опять приводит к парадоксу мозга Больцмана. Если принципы достаточного обоснования и идентичности неразличимых должны быть удовлетворены, вселенная тем или иным способом должна избежать окончания в таком парадоксальном состоянии. Эти принципы ограничивают варианты для возможной будущей судьбы вселенной.

Имеется небольшое количество научной литературы, пытающейся спланировать, что произойдет в далеком будущем вселенной. Вся она умозрительна, поскольку, чтобы рассуждать о далеком будущем, вы должны делать некоторые значительные допущения. Одно из них, что законы природы никогда не должны изменяться, ибо, если они менялись, наша предсказательная способность будет загнана в угол. И не должно существовать неоткрытых явлений, которые могли бы изменить направление истории вселенной. Например, могла бы быть некоторая сила, настолько слабая, что еще только должна быть обнаружена, но, однако, вступающая в игру выше гигантских расстояний и на временах, больших сегодняшнего возраста вселенной. Это возможно и подробно рассматривалось. Но это затрудняет любое предсказание на базе сегодняшнего знания. Также в запасе не должно быть других сюрпризов, таких как стенки космических пузырей, приходящие к нам со скоростью света из-за пределов нашего нынешнего горизонта.

Предположив, что хорошо установленные законы и явления это все, что имеет место, мы можем надежно вывести следующее:

В конечном счете галактики прекратят делать звезды

. Галактики есть гигантские системы по превращению водорода в звезды. Они не очень результативны; типичная спиральная галактика создает примерно одну звезду в год. После почти 14 миллиардов лет большая часть вселенной все еще представляет собой изначальный водород и гелий. Пока что одного водорода настолько много, что, по самой меньшей мере, должно существовать только конечное число звезд. Только если весь водород в конце концов переработается в звезды, будет сделана последняя звезда. И это только предел сверху; более вероятно, что неравновесные процессы, которые управляют формированием звезд, будут затихать задолго до того, как весь водород будет переделан в звезды.

Последние звезды выгорят. У звезд конечное время жизни. Массивные звезды живут несколько миллионов лет и умирают драматически в виде сверхновых. Большинство живут многие миллиарды лет и в конце выдыхаются в виде белых карликов. Но будет время, когда последняя звезда уже умрет.

Что тогда?

Раз последняя звезда умерла, вселенная заполнена материей, темной материей, излучением и темной энергией. Что происходит со вселенной в длительной перспективе зависит, главным образом, от компоненты, о которой мы знаем меньше всего: темной энергии.

Темная энергия это энергия, связанная с пустым пространством. Она была обнаружена, чтобы компенсировать около 73 процентов массы-энергии вселенной. Ее природа на сегодня неизвестна, но наблюдается ее влияние на движение удаленных галактик. В особенности, темная энергия способствовала объяснению недавно открытого ускорения всеобщего расширения.

Отдельно от этого мы о ней ничего не знаем. Она могла бы быть просто космологической константой или она могла бы быть некоторой экзотической формой энергии с постоянной плотностью. Хотя плотность темной энергии оказывается приблизительно константой, мы не знаем, так ли это на самом деле или она просто изменяется более медленно, чем фиксируют наблюдения в настоящее время. Будущее вселенной будет очень разным в зависимости от того, останется ли темная энергия константой или нет.

Рассмотрим сначала сценарий, в котором темная энергия сохраняет свою плотность, когда вселенная расширяется. Если ее плотность постоянна, она ведет себя просто как космологическая константа Эйнштейна. Она не уменьшается по мере того, как вселенная продолжает расширяться. Все остальное — все вещество и все излучение — рассеивается по мере расширения вселенной, а плотность полной энергии от указанных источников монотонно убывает. После нескольких десятков миллиардов лет можно будет пренебречь всем, за исключением плотности энергии, связанной с космологической константой.