Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

больше, то Вселенная будет схлопываться и само время придет к своему концу с Большим хрустом. У меня, тем не менее, есть серьезные преимущества перед другими предсказателями судьбы. Даже ежели Вселенная собирается сжаться, я точно могу предсказать, что теперешняя экспансия не остановится по крайней мере еще в течение десяти миллиардов лет. Я не думаю, что кто-нибудь сумеет доказать мою неправоту.

Мы можем попытаться оценить среднюю плотность Вселенной из наблюдений. Если мы посчитаем звезды и сложим их массы, это даст меньше одного процента критической плотности. Даже если мы прибавим массу газовых облаков, наблюдаемых во Вселенной, опять-таки получится не более одного процента критического значения. Но мы знаем, что Вселенная должна также содержать темную материю, которую мы не можем непосредственно наблюдать. Существование темной материи подтверждают спиральные галактики. Они представляют собой огромные блинообразные конгломераты звезд и газа. Мы наблюдаем, что они вращаются вокруг своих центров, но скорость вращения настолько высока, что они разлетелись бы, если бы состояли только из газа и звезд, видимых нами. Там должна быть какая-то невидимая форма материи, гравитационное притяжение которой достаточно велико, чтобы удерживать вращающиеся галактики.

Еще одно доказательство существования темной материи дают скопления галактик. Мы наблюдаем, что галактики распределены во Вселенной неравномерно; они собраны в скопления, которые содержат от нескольких до нескольких миллионов галактик. Предположительно эти скопления возникли за счет притяжения галактик друг к другу. Мы можем измерить скорости отдельных галактик в этих скоплениях. Мы найдем, что эти скорости очень высоки: галактики из этих скоплений разлетелись бы, если бы их не удерживали силы гравитационного притяжения. Масса, требуемая для их удержания, значительно больше наблюдаемой массы всех галактик. Даже если мы учтем вращение галактик, их масс будет недостаточно. Следовательно, в этих скоплениях, кроме самих галактик, которые мы в них видим, должна присутствовать дополнительная темная материя.

Можно сделать достаточно надежную оценку количества темного вещества в этих галактиках и скоплениях. И все-таки полученный результат будет соответствовать всего лишь десяти процентам критической плотности, необходимой для сжатия Вселенной. Если исходить из наблюдений, которые у нас есть, можно предсказать, что Вселенная будет расширяться вечно. Примерно через пять миллиардов лет ядерная печь Солнца погаснет. Солнце раздуется до размеров красного гиганта и поглотит Землю и другие близлежащие планеты. Затем оно успокоится и превратится в белый карлик с диаметром в несколько тысяч километров. Итак, я предсказываю конец света, но только не сейчас. Не думаю, что мое предсказание слишком всколыхнет биржу: на горизонте маячат гораздо более насущные проблемы. В любом случае, к тому времени, как Солнце раздуется, нам следует освоить искусство межзвездных путешествий, если, конечно, к тому времени мы друг друга не уничтожим.

Через десять миллиардов лет выгорит большинство звезд во Вселенной. Звезды солнечной массы станут либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, которые еще меньше и плотнее, чем белые карлики. Более массивные звезды могут стать черными дырами, размеры которых еще меньше, а гравитационное поле настолько сильное, что даже свет не может вырваться из его тисков. Но все эти звездные останки продолжат двигаться вокруг центра нашей Галактики с периодом порядка сотни миллионов лет. Некоторые из них в результате близкого прохождения друг к другу смогут развить достаточные скорости, чтобы преодолеть гравитационное поле Галактики и вырваться за ее пределы. Остальные будут постепенно переходить на все более близкие к центру орбиты и в конце концов соберутся вместе и образуют гигантскую черную дыру в центре Галактики. Чем бы ни являлась темная материя, содержащаяся в галактиках и скоплениях, она, скорее всего, тоже упадет в эту огромную черную дыру.

Итак, основная часть вещества в галактиках и скоплениях предположительно окажется в черных дырах в конце своей эволюции. Хотя некоторое время тому назад я сделал открытие, что черные дыры в сущности не такие уж и черные, как их малюют. Принцип неопределенности, известный из квантовой механики, говорит, что положение и скорость частиц не могут одновременно быть точно определены. Чем точнее определяется местоположение частицы, тем менее точно мы можем рассчитать ее скорость, и наоборот. Если частица находится в черной дыре, то про нее точно известно, что она именно там, внутри дыры. Это означает, что скорость ее неизвестна. Поэтому скорость частицы может превысить скорость света. Такая частица может удрать из черной дыры. Таким образом частицы вещества и излучение будут медленно просачиваться наружу из черной дыры. Размеры гигантской черной дыры в центре Галактики могут составлять миллионы километров в поперечнике. То есть местоположение частицы внутри нее будет весьма и весьма неопределенным. С другой стороны, скорость частицы при этом чуть более предсказуема; это означает, что частице потребуется очень много времени, чтобы выбраться из черной дыры. Но в конце концов это у нее получится. Большой черной дыре в центре Галактики потребуется 1090 лет, чтобы испариться и полностью исчезнуть. Это намного больше, чем возраст Вселенной, который составляет 1010 лет (единица с десятью нулями). Так что времени впереди еще много, если Вселенная намерена расширяться вечно.

Будущее у такой вечно расширяющейся Вселенной достаточно скучное. Но это совершенно не обязательно, что она будет вечно расширяться. Мы имеем точные доказательства наличия только одной десятой доли от плотности, необходимой для начала сжатия Вселенной. Однако могут существовать и другие типы не обнаруженной нами темной материи, которые могут увеличить среднюю плотность Вселенной до критического уровня или выше. Эта дополнительная темная материя может находиться вне галактик и скоплений галактик. Иначе мы заметили бы ее влияние на их вращение и их движение в скоплениях.

Почему мы думаем, что во Вселенной может содержаться достаточное количество темной материи, чтобы со временем заставить Вселенную сжиматься? Почему бы нам не согласиться с тем количеством вещества, относительно которого у нас есть очевидные доказательства? Причина в том, что даже одна десятая критической плотности требует очень аккуратного выбора значений начальной плотности и скорости расширения. Если плотность Вселенной через секунду после Большого взрыва была бы больше только на одну долю из тысячи миллиардов, Вселенная схлопнулась бы за десять лет. С другой стороны, если бы плотность в то время была бы меньше на ту же величину, начиная с десятилетнего возраста эта Вселенная была бы практически пустой.

Как случилось, что первоначальная плотность Вселенной была выбрана настолько тщательно? Наверное, на то есть причина. Предположительно, существуют два объяснения. Одно объяснение – так называемый антропный принцип, который можно выразить следующим образом: Вселенная такова, как она есть, потому что иначе не было бы нас, наблюдающих за ней. Идея заключается