Солнце исчезнет довольно скоро, примерно через 10 миллиардов лет. Оно распухнет и станет Красным Гигантом с радиусом, далеко перевалившим за орбиту Земли, поэтому с простейшей точки зрения на предмет мы можем ожидать, что Земля прямо на орбите превратится в золу. Земля испытает торможение, когда ее швырнет в приблизившееся к ней очень разжиженное солнечное вещество, и будет снижаться по спирали пятьдесят лет до своей смерти в недрах Солнца. Все, что останется от наших достижений, будет легким загрязнением Солнца, мы просто станем еще одним вкладом в загрязнение среды. Я сказал «с простейшей точки зрения». Существует возможность, что в процессе раздувания в Красный Гигант, становясь в сотни раз ярче, чем теперь, Солнце выбросит в пространство много вещества и станет поэтому менее массивным. В результате уменьшения гравитационного притяжения планет к похудевшему Солнцу, земная орбита расширится и может уйти так далеко, что мы избежим испепеления; Венера, наша более близкая к Солнцу соседка, возможно, спасется тоже. Солнце тем временем останется белым карликом, с массой около половины нынешней. Более крупные звезды, которые живут меньше, чем маленькие, тоже окончат жизнь драматически, образовав либо нейтронные звезды, либо черные дыры.
Галактики не могут жить дольше, чем их звезды, так же как человеческие сообщества не переживают входящих в них людей. Основываясь на динамике формирования и эволюции звезд и способе, которым они переправляют вещество обратно в свои галактики, можно заключить, что эра формирования звезд, возможно, придет к концу примерно через сто триллионов лет (1014 лет). Задолго до этого, примерно через 6 миллиардов лет, случится небольшая локальная неприятность, когда Андромеда врежется в Млечный Путь или, по крайней мере, оставит по краю царапину, однако в космическом масштабе это событие не будет иметь большой значимости. Когда прекращается формирование звезд, можно ожидать, что галактики состоят теперь из смеси почти равных долей белых карликов и коричневых карликов (холодных неудачливых звезд, недостаточно массивных, чтобы зажечься; их массы должны быть меньше восьми масс Юпитера), с небольшой кучкой черных дыр. На самом деле, очень медленное формирование звезд может продолжаться, так как эти коричневые карлики сжимаются, сливаются и становятся достаточно массивными, чтобы зажечься. Белые карлики также будут сжиматься и объединяться в более крупные карлики. Черные дыры тоже будут обрастать звездами, и примерно через сто триллионов триллионов лет (1026 лет) черные дыры, по предположению находящиеся в центре галактик, будут жадно поглощать свои звезды. Эти огромные черные дыры с массами около 10 миллиардов Солнц, будут проплывать по Вселенной как акулы, поедая кильку одиноких звезд, которые отстали от своих галактик в предыдущие эры. Если эти звезды являются белыми карликами, их ядерные реакции будут продолжаться долго, но они будут тускло светиться излучением протонов радиоактивного распада с временами жизни порядка 1035 лет. Интенсивность излучения будет такой низкой, что вам придется быть очень внимательными, чтобы заметить их: типичный белый карлик, работающий на топливе протонов распада, имеет светимость 400-ваттной лампочки.
Черные дыры умирают. Излучение Хоукинга, предсказанное космологом Стивеном Хоукингом в 1974 г., можно представить себе следующим образом. Вакуум (а мы научились задавать себе вопрос, что мы имеем в виду под этим словом) является бурлящей пеной частиц, вступающих в мимолетное существование. Если мы представим себе пару из частицы и античастицы, появившуюся на горизонте черной дыры, поверхности, окружающей примыкающую к дыре область пространства, которую ничто не может покинуть, то может оказаться, что одна частица образуется внутри горизонта, а ее партнер снаружи от него (рис. 8.14). В результате одна частица захватывается, а ее партнер улетает. Улетающая частица уносит энергию из области дыры, так что масса дыры уменьшается. Это очень медленный процесс. Для черной дыры с массой галактики можно ожидать, что он займет 1098 лет. Поэтому мы можем заключить, что примерно через 10100 лет Вселенная будет состоять из электромагнитного излучения, электронов и позитронов. В свою очередь, электроны и позитроны встретятся, аннигилируют и превратятся в электромагнитное излучение. Длины волны излучения во Вселенной будут растягиваться по мере того, как Вселенная продолжает расширяться, также как сияние Большого Взрыва растянулось в микроволновое фоновое излучение космоса.
Рис. 8.14. Наглядная иллюстрация возникновения излучения Хоукинга, из-за которого черные дыры теряют массу и съеживаются. Черная дыра окружена горизонтом на расстоянии радиуса Шварцшильда, из-за которого ничто, даже свет, не может пробиться наружу. Однако, если на горизонте образуется пара из частицы и античастицы (как, например, электрон и позитрон), античастица может оказаться внутри горизонта, а частица может образоваться снаружи от него. Это дает возможность частице покинуть черную дыру и тем уменьшить ее массу. Оказывается, что интенсивность этого излучения имеет характеристики излучения черного тела с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры.
Когда масштаб Вселенной станет бесконечным, длины волн станут бесконечными тоже. Нам останется мертвое плоское пространство-время, в котором будут стерты все следы наших достижений, вдохновения и существования. Наш конец, однако, отличен от нашего начала. В начале не было ничего, совсем ничего. В конце, напротив, будет совершенно пустое пространство. Какими же счастливыми мы должны быть, сознавая, что живем в оазисе активности, бьющей ключом меж двух пограничных пустынь.
Глава девятая
Пространство-время
Арена действия
Время и пространство есть формы, в которых мы мыслим, а не условия, в которых мы живем.
Альберт ЭйнштейнВеликая идея: вещество искривляет пространство-время
Где находится то, что происходит? Когда мы смотрим вокруг, ответ кажется очевидным. Мы существуем в пространстве и действуем во времени. Но что есть пространство, и что есть время? И здесь наша интуиция спешит предложить готовый ответ. Мы представляем себе пространство как сцену, возможно, нематериальную сцену, но тем не менее некоторого рода сцену. А время? Время позволяет различить последовательные действия, время является свойством Вселенной, дающим нам возможность опознавать настоящее как вечно движущуюся грань между прошлым и будущим. Иными словами, пространство расставляет по местам одновременные события, а время распутывает непредсказуемое будущее и неизменяемое прошлое. Пространство и время вместе распределяют события по местоположениям и порядковой последовательности, делая их умопостигаемыми. Наука проистекает из существования времени, поскольку главный источник науки, причинность — влияние событий на их последовательность — является по существу систематической преемственностью событий во времени: если сейчас это, то потом то.
Однако такие интерпретации времени и пространства скорее сродни чувствам, чем подлинному знанию. Они, возможно, являются скорее отправным пунктом для философа, чем конечным пунктом для ученого. Как мы увидим в этой главе, развитие нашего современного взгляда на время и пространство было освобождением от интуитивной точки зрения, что мир является сценой, ареной действия; но в более недавние времена и этот взгляд начал размываться. Некоторые ученые сегодня считают, что они находятся на пороге открытия даже более великой идеи, чем та, которая является предметом настоящей главы.
Наша история начинается с человека, решившего измерять поверхность Земли, осознаваемую тогда в качестве арены действия. На самом деле, они начали мерить не Землю, а землю, что оказалось значимым, судя по последствиям. Разумеется, одним из аспектов научного метода является ограничение амбиций в отношении того, что может быть достигнуто: наука откусывает булочки понемногу, а не пытается слопать великие вопросы за один присест.
Ключом к пониманию чего бы то ни было является сочетание наблюдения, особенно количественной разновидности наблюдения, которую мы называем измерением, и систематического способа мышления, который мы называем логикой. Первыми из шагов, которые в конце концов привели нас к современному пониманию нашей арены действия, были измерения, проведенные вавилонянами и египтянами, и логика, развитая греками. Вавилоняне владели процедурой, но не имели доказательств: греки внесли доказательства. Вавилоняне, например, знали за тысячу лет до греков, что сумма квадратов сторон прямоугольного треугольника равна квадрату его гипотенузы, но оставили грекам, возможно, математическому коллективу некоего вида, известному нам под именем Пифагора, доказательство того, что эта связь верна для любого мыслимого прямоугольного треугольника. Процедура является основой знания и базой для приложений, но доказательства обостряют интуицию и ведут нас к более глубокому пониманию.
