В 1986 году в солидном научном журнале появилась статья X. Альвена — непререкаемого авторитета в области физики плазмы. Одно из основных положений, которое защищает Альвен, состоит в том, что Вселенная существенно неоднородна по своей структуре, она имеет клеточное строение. Одна клетка от другой отделяется плазменными стенками, во Вселенной в равных количествах присутствует материя и антиматерия. Вселенная вечна и бесконечна. Альвен делает и более радикальное предположение, отказываясь от ОТО и, считая, что мир может быть вполне объяснен в терминах ньютоновской механики.
С идеями Альвена перекликается и космологическая модель Р. Омнеса, который также “предпочитает” зарядово-симметричную Вселенную. Проделав соответствующие теоретические оценки, Омнес сделал вывод об отталкивании нуклонов и антинуклонов при температуре порядка нескольких тысяч миллиардов градусов. При этой температуре горячее вещество превращается в эмульсию, смесь капель вещества и антивещества. Далее, с понижением температуры происходит их разделение в астрономических масштабах. Теория Омнеса вызывает возражения, которые основываются главным образом на наблюдательных астрономических данных. В то же время эта теория, как отмечает Я. Зельдович, “красива”, а это, как мы уже говорили, один из важных критериев правильности.
Не один Альвен является приверженцем вечной и безграничной Вселенной. Крупные астрофизики Г. Голд, Г. Бонди и Ф. Хойл (один из наиболее известных астрофизиков XX века и автор ряда научно-фантастических романов) еще в 1948 году выдвинули модель так называемого “стационарного состояния”. Эта модель описывает вечно расширяющуюся, безграничную Вселенную. Плотность ее имеет, как это следует из самого названия модели, постоянную величину. Как это может быть, если Вселенная расширяется? Ведь плотность вещества должна в этом случае падать. Авторы модели стационарного состояния постулируют непрерывное рождение вещества. Если мы вспомним идею о рождении Вселенной из вакуума, то, быть может, рождение частиц, компенсирующих падение плотности из неизвестного с-поля, покажется и не столь удивительным. Рождение частиц происходит по всему пространству, и поэтому теорию стационарной Вселенной называют также теорией непрерывного творения материи. Интересно, как авторы модели обходят вопрос о реликтовом излучении. Они предполагают (и это предположение в известной мере не является надуманным), что в межзвездном и межгалактическом пространстве могут находиться небольшие частицы графита размерами около 1 миллиметра. Они могут поглощать свет звезд, а затем переизлучать его как раз в форме реликтового фона.
Создание новых моделей имеет под собой очевидную психологическую подоплеку. Теория Большого Взрыва неизбежно сталкивается с проблемой сингулярности, камнем преткновения всей современной физики. Поэтому вполне понятно стремление тем или иным путем обойти эту трудность. Сингулярность как дамоклов меч продолжает угрожать космологии, и пока физика не разберется с этой проблемой, не будет стройной и законченной теории происхождения мира. Теорию Большого Взрыва нельзя считать неуязвимой, и поэтому, хотя на сегодняшний день она кажется наиболее правдоподобной, ей придется “держать удары” по слабым местам. А эти удары бесспорно будут наноситься.
Навязчивая идея стационарности мира порождает и другие попытки объяснения красного смещения — одной из основ моделей расширяющейся Вселенной. Очень популярна (среди неспециалистов) мысль о старении фотонов. Суть заключается в том, что кванты света могут терять энергию в пространстве, пока они дойдут до земных наблюдателей. За счет чего происходят подобные потери энергии? Здесь предлагается несколько механизмов. Во-первых, само старение. Но это предположение совершенно не укладывается в рамки современной физики. Во-вторых, рассеяние на пылинках. Но в этом случае красное смещение очевидным образом должно было бы зависеть от длины волны излучения.
В космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться,— будущее нашего мира. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий философский смысл.
В какой-то мере проблема дальнейшей судьбы Вселенной проще, чем проблема начала. Здесь возможны только два (в простейшем случае) варианта. Первый состоит в том, что Вселенная будет постоянно расширяться в течение неограниченного времени. Второй обрекает Вселенную на грандиозную катастрофу — “коллапс в огненной смерти, когда небо становится все горячее и горячее, пока оно наконец не обрушится на нас и не загонит нас в пространственно-временную сингулярность с бесконечной температурой” (Дайсон).
Во втором варианте опять на сцене появляется сингулярность, но на этот раз не порождающая, а уничтожающая наш мир. По крайней мере, в этом случае можно с уверенностью сказать, что жизнь во Вселенной (так, как мы ее понимаем и видим сегодня) исчезнет за миллионы лет до того, как мир сожмется в точку. Избежать этого, быть может, удастся, научившись путешествиям в другие вселенные или предотвращая процесс обратного сжатия, но рассуждения на эту тему сегодня еще преждевременны, человечеству угрожает гибель от термоядерной катастрофы в более обозримое время и от более низких температур, чем в сингулярности.
Выбор вариантов определяется значением средней плотности вещества во Вселенной. Эта цифра, несмотря на большое число наблюдательных данных, многочисленные теоретические оценки, известна не с очень высокой точностью. Если учесть только массу галактик, а затем усреднить ее по объему Вселенной, то получится значение средней плотности ρ=3*10-31 г/см3. Но, кроме галактик, в космосе есть еще ионизированный газ, черные дыры, потухшие звезды и другие виды материи. Значение средней плотности галактик много меньше значений критической плотности (ρкр==10-29 г/см3), при котором фаза расширения обязательно должна смениться фазой сжатия.
Однако в астрофизике существует так называемая проблема скрытой массы — трудно наблюдаемых форм вещества в космосе. Эта масса может находиться как в скоплениях галактик, так и в пространстве между скоплениями. Оценки скрытой массы поднимают значение средней плотности вещества Вселенной почти до ее критического значения. К самой серьезной переоценке ρкр (плотности с учетом скрытой массы) привели результаты экспериментов, проведенных в Советском Союзе группой исследователей под руководством В. Любимова. Физика опять столкнулась с ситуацией, когда мир элементарных частиц снова во весь голос заявил о своем прямом воздействии на космологию.
В институте экспериментальной и теоретической физики долгое время изучалось поведение нейтрино, которые до последнего времени считались безмассовыми частицами. Но вот в 1980 году группа В. Любимова опубликовала поистине ошеломляющий результат. Масса покоя нейтрино оказалась отличной от нуля! Очень малой, но все-таки не нуль! Оценки дали значение массы нейтрино около 5*10-32 грамма. Нейтрино в 20 тысяч раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона.
На первый взгляд это открытие важно лишь для физики элементарных частиц. Но только на первый взгляд. Все дело в том, что нейтрино очень много во Вселенной, не меньше, чем фотонов, а их несколько сот “штук” в одном кубическом сантиметре пространства. Сразу же возникает желание проделать элементарный расчет: умножить вес одного нейтрино на число их в кубическом сантиметре. Результат получается поразительным: рнейтр=10-29 г/см3, то есть плотность нейтрино примерно равна критической. А тут еще надо учесть, что масса была определена лишь у одного типа нейтрино, а их как минимум четыре. Предполагается, что массы остальных типов нейтрино могут быть больше, чем масса электронного нейтрино, определенная физиками из ИТЭФ.
Если учесть все эти соображения, то средняя плотность материи во Вселенной заведомо больше критической, и, следовательно, расширение должно обязательно смениться сжатием. Чтобы этот вывод не звучал слишком категорично, сделаем оговорку, смысл которой состоит в том, что безусловно следует подождать подтверждения экспериментальных результатов группы Любимова. Если они будут подкреплены независимыми данными, то окажется, что мы живем в нейтринной Вселенной и очень многие ее свойства определяются присутствием в нашем мире этих частиц. Масса обычного вещества в этой Вселенной составляет лишь 3 процента от массы всех нейтрино.
Тем не менее имеющаяся все-таки на сегодняшний день неопределенность в значении средней плотности Вселенной дает нам моральное право рассмотреть альтернативный сценарий ее будущего.
Итак, пусть pcp<pkp.
Что случится в этом случае с пространством и веществом? Будущую жизнь мира можно разделить на шесть основных этапов. Первый из них займет примерно 1014 лет. Почему?
Хорошо известно, что звезды светят за счет происходящих в них термоядерных реакций. Но для прохождения этих реакций необходимо топливо. Водород — главное горючее в термоядерных реакциях, а запасы его не беспредельны. Кроме того, чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует ядерное горючее. К примеру, наше Солнце будет работать стабильно, как гигантский термоядерный реактор, еще примерно 10 миллиардов лет. Затем наступает очередь выгорания других элементов, более тяжелых, чем водород, и в конце концов звезда умирает, перестает светить. Заметим, что у звезд разной массы этот процесс происходит по-разному, но, не вдаваясь сейчас в подробности, еще раз подчеркнем, что через 1014 лет на небе погаснут звезды.
Параллельно этим грустным событиям звезды будут терять планеты из-за возмущений орбит при сближении с другими звездами. Это процесс довольно редкий, но, поскольку мы оперируем сейчас огромными промежутками времени, его нужно учитывать. Это займет промежуток времени примерно в 1017 лет.