Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

К счастью, если нам понадобятся странности, мы всегда можем найти что-нибудь в области квантовой физики. В данном случае Хокинг воспользовался такой странностью, как виртуальные частицы – пары частиц с положительной и отрицательной энергией, которые рождаются и исчезают в вакууме[45]. Идея заключалась в том, что это происходит постоянно и повсюду в пространстве-времени, как правило, не оказывая никакого влияния, поскольку виртуальные частицы исчезают практически сразу после своего спонтанного появления, аннигилируя друг с другом. Однако Хокинг считал, что вблизи черной дыры может возникнуть ситуация, когда виртуальная частица с отрицательной энергией попадает за горизонт событий, а виртуальная частица с положительной энергией превращается в реальную и улетает. Вследствие поглощения отрицательной энергии масса черной дыры немного уменьшается, при этом такое же количество положительной энергии излучается на ее горизонте событий. Поскольку виртуальные частицы появляются и исчезают постоянно и повсюду в космосе, любая черная дыра, которая активно не поглощает вещество из своего ближайшего окружения, должна постепенно терять массу в ходе такого процесса испарения.

Каким бы сложным ни казалось это описание, оно используется чаще всего и представляет собой сильно упрощенную картину, предназначенную лишь для передачи основной идеи без лишних технических подробностей. Однако меня оно никогда не удовлетворяло, поскольку оно предполагает, что частицы с отрицательной энергией преимущественно падают в черную дыру, тогда как частицы с положительной энергией улетают прочь, обладая достаточным количеством энергии для того, чтобы преодолеть ее притяжение. Несмотря на то что Хокинг использовал это объяснение, выступая перед широкой аудиторией, он не хотел, чтобы оно воспринималось буквально, но настоящее объяснение предполагает расчет волновых функций и рассеяния, которое происходит с волнами вблизи черной дыры. В этом невозможно разобраться без серьезной подготовки в области математики и физики. Однако если вы сейчас тоже пришли в недоумение, я просто хочу вас заверить, что, несмотря на неадекватность популярной аналогии, результаты расчетов имеют смысл, если произвести их по всем правилам, используя общую теорию относительности и квантовую теорию поля.

Таким образом, мы можем с уверенностью предположить, что перед лицом тепловой смерти черные дыры действительно испаряются, не оставляя ничего, кроме небольшого количества радиации, которая распространяется по опустошающейся Вселенной. Надеюсь, это более или менее понятно.

Кроме того, способность горизонтов излучать радиацию и учитывать энтропию своего содержимого не только обрекает все черные дыры на гибель, но и вносит важный вклад в процесс тепловой смерти. Ведь у нашей наблюдаемой Вселенной тоже есть горизонт, и мы находимся внутри него.

Максимальная энтропия

Вселенную, порабощенную космологической постоянной, в будущем ждет лишь тьма и пустота. По мере ускорения процесса ее расширения пустого пространства становится все больше, а значит, увеличивается и количество темной энергии, вызывающей дальнейшее расширение. В конце концов, когда звезды выгорят, частицы распадутся, а черные дыры испарятся, Вселенная будет представлять собой пустое пространство, в котором есть лишь космологическая постоянная, обеспечивающая ее экспоненциальное расширение. Это называется пространством де Ситтера, и, по нашему мнению, оно развивается так же, как очень ранний космос на стадии инфляции. Правда, процесс инфляции в итоге остановился. Если темная энергия действительно является космологической постоянной, то расширение никогда не прекратится и космос будет расширяться экспоненциально на протяжении вечности.

Так можно ли считать такое бесконечное расширение гибелью Вселенной? Чтобы ответить на этот вопрос, нам следует глубже разобраться в теме энтропии и стрелы времени.

При выгорании звезд, распаде частиц и испарении черных дыр все больше вещества преобразуется в свободное излучение, которое распространяется по Вселенной в виде теплоты – чистой неупорядоченной энергии. Преобразование вещества в тепловое излучение максимизирует его энтропию, поскольку распространению энергии ничто не мешает. По мере опустошения Вселенной это излучение все сильнее рассеивается, из-за чего может показаться, что совокупная энтропия должна уменьшаться вслед за температурой. Однако этого не происходит.

А происходит следующее: когда Вселенная достигает стадии экспоненциального расширения, вокруг любой точки можно очертить сферу, за границей которой будет находиться навсегда скрытая часть космоса. Эта граница представляет собой настоящий горизонт в том смысле, что все, находящееся за ним, уже никогда не сможет достичь вас. Оказывается, что подобно горизонту событий черной дыры этот горизонт также связан с энтропией, а значит, и с температурой.