Який вік Всесвіту і чи довго йому ще «старіти»

Знаючи вік матері, можна визначити хоча б максимально можливий вік її дітей. Правда, в космології все набагато складніше. Хоча б тому, що і вік самого Всесвіту вказують, як правило, з настільки ж невисокою точністю, що і вік Землі. Більш того, і в цьому випадку є підозра, що перед нами — величина знову-таки дуже відносна і близька до мінімальної.

Знаменитий англійський астроном Джемс Джині півстоліття тому спробував оцінити вік зірок декількома методами. Наприклад, по орбітах подвійних зірок. Подвійні зірки були колись одним тілом і по народженні, оберталися одна навколо іншої по кругових орбітах. Спостереження показують, що нинішні орбіти подвійних зірок еліптичні. За розрахунками Джинса, на подібне викривлення деяких орбіт під дією сил тяжіння потрібні були тисячі мільярдів років. Приблизно ті ж цифри вийшли при розрахунках динаміки зоряних скупчень, через яку більш важкі зірки, за словами Джинса, рухаються правильним ладом у штовханині більш легких зірок, «подібно зграї лебедів, що летять крізь натовп граків та шпаків».

Ще один спосіб зоряної хронології. При досить довгій гравітаційній взаємодії всі зірки повинні обмінюватися енергією руху до встановлення рівноваги, подібно молекулам газу, що знаходяться в замкнутому обсязі. Тобто енергія руху зірок повинна бути приблизно однаковою незалежно від їх мас (а спочатку, при рівності швидкостей, вона у масивних зірок була більше). Як показують спостереження і розрахунки, цей стан приблизно досягнуто для зірок майже всіх спектральних класів. Виняток – тільки наймасивніші зірки, у яких середня енергія руху дещо знижена. І знову, провівши складні обчислення, Джині отримав цифри близько декількох тисяч мільярдороків, необхідних для встановлення подібної «зоряної рівноваги».

Нарешті, Джині, слідом за іншим відомим астрономом, Еддінгтоном, розрахував, за скільки часу зірки, палаючи, можуть втратити свої маси до сучасних значень. Він виходив з того, що маса зірки приблизно (за рідкісним винятком) пропорційна її світності. Передбачається, що зірки проходять подібні етапи розвитку. Тоді для найбільш древніх, враховуючи швидкість їх «старіння-згоряння», виходять знову багато тисяч мільярдів років. Між іншим, вік Землі Джині оцінював всього-то в два мільярди років!

Звичайно, доводиться пам’ятати, що всі подібні розрахунки засновані на гіпотезах півстолітньої давності і в наші дні не користуються популярністю у астрономів. Однак хіба для сучасних теорій і гіпотез не може настати час, коли вони вийдуть з моди! А тоді, як відомо, занадто часто повертаються до добре забутого старого.

У сучасній астрономії панує думка про те, що вік нашого, доступного спостереженням Всесвіту… Точну цифру назвати важко – за останні роки вона змінювалася в бік збільшення в міру того, як виявлялися все більш і більш «старі» об’єкти (наприклад, квазари). Правда, зміни в принципі несуттєві: від 12 до 20-25 мільярдів років.

Ситуація, мабуть, нагадує історію з визначенням віку Землі. Як і раніше стоїть і питання, чи достатньо древні космічні годинники, за якими ми визначаємо вік Всесвіту, а значить, і гранично можливий вік Сонячної системи і Землі. Треба врахувати, що визначення ведуться по зірках, що займають незначну частку обсягу Всесвіту. Ми володіємо в своєму розпорядженні деякими, переважно непрямими, даними про вік зірок, але «Зоряний годинник» абсолютно не обов’язково свідчить про вік інших космічних об’єктів. Тим більше-самого Всесвіту.

Правда «Зоряний годинник», крім фактів про час існування сонячних систем і галактик, надає матеріал для міркувань про шляхи еволюції Всесвіту. Астрономи схильні об’єднувати факти з міркуваннями. І тоді виходить, що вік найдавніших зірок відповідає (приблизно) віку Всесвіту.

Спектральні лінії світлового сигналу від об’єкта, що віддаляється зміщуються в червону сторону пропорційно швидкості руху. І спостережуване червоне зміщення спектрів зірок також пропорційно змінюється в залежності від відстані до об’єкта. Логічно припустити: чим далі від нас об’єкт, тим швидше він рухається (від нас, природно); а якщо розділити пройдену об’єктом відстань на його швидкість, отримаємо час руху. Виходить, найвіддаленіші зірки – це і є найдавніший астрономічний годинник! (Якщо, звичайно, в деякий «нуль-час» всі зоряні маси були об’єднані у вселенську «надзірку».)

Настільки простий висновок викликав спочатку хвилю скептицизму. Ніхто не сперечався про сам факт червоного зміщення. Однак пояснювати його пробували по-різному. Наприклад, так: світлові «пакети» — фотони, мандруючи в незвіданому просторі мільйони років, відчувають зміни («старіють»), що і відображає їх «почервоніння» з віком. Значить, червоне зміщення вказує на вік фотонів, а не зірок або, тим більше, Всесвіту. Ця гіпотеза була, в свою чергу, піддана критиці. Вказувалося, що старіння фотонів повинно супроводжуватися «розмазуванням» зображень зірок і т. д.

Іншу гіпотезу висловив англійський астроном Е. Мілн. На його думку, «старіли» не фотони, а зоряна матерія. Коли зірки випромінювали світло, яке ми зараз приймаємо, тоді мільйони і мільярди років тому вони були іншими. Ми як би читаємо листи від адресатів, сильно постарілих або навіть давно померлих поки йшов лист. Дивно припускати, що вони знову написали б точно такі листи, як в далекій і безповоротній юності.

Подібні доводи здаються досить резонними. Хоча довести їх не легше, ніж спростувати.

Отже, отримуючи сигнали від далеких зірок, ми маємо право припускати, що зірки ці віддаляються від нас (ідея гігантського вибуху і розбігання галактик), або змінюють з часом швидкість фізичних процесів (ідея Мілна), або, нарешті, відбувається спотворення світлових сигналів («старіння» фотонів). Однак у будь-якому з цих трьох варіантів вік зірок начебто повинен обов’язково не перевищувати 15-25 мільярдів років.

Але не будемо поспішати з висновками. Не виключено, що слід звернутися до зовсім іншим «годинникам».

Порівняно недавно в міжзоряному середовищі були виявлені спектри молекул, що складаються з водню, вуглецю, кисню, азоту (водяна пара, окис вуглецю, аміак, синильна кислота). Серед них навіть сіматомні молекули!

Повідомлення про знахідки молекул в космосі стали надходити ще кілька десятиліть тому. Однак мало хто приймав їх тоді всерйоз: занадто неймовірною представлялася можливість зустрічі в надрозрядженому міжзоряному середовищі двох атомів або, тим більше, трьох, чотирьох, п’яти!

Дійсно, якщо утворення в космосі молекул прийняти за своєрідний «молекулярний годинник», то показує він зовсім не той час, що годинник світловий. «При концентрації 100 атомів в 1 кубічному сантиметрі кожен атом відчуває зіткнення приблизно раз на сто років – пише астрохімік В. С. Стрельницький. Але потрібно мати на увазі, що для утворення більшості молекул необхідно одночасне зіткнення трьох частинок: третя частка бере на себе надлишок енергії зіткнення і тим самим дає можливість двом іншим частинкам злитися в молекулу, а не розлітатися, як після зіткнення пружних кульок. Такі потрійні зіткнення при малих концентраціях трапляються вкрай рідко: при концентрації 100 атомів в 1 кубічному сантиметрі – раз в 10²⁰ років, що в 10¹⁰ (десять мільярдів!) раз перевершує прийнятий зараз вік Галактики! Можна зрозуміти песимізм астрономів, які не вірили в існування міжзоряних молекул…»

Які ж непомірні цифри віку Всесвіту повинні давати міжзоряні молекули, складені з семи атомів!

Відкриті ефекти «молекулярного тунелювання» дозволяють сподіватися, що утворення складних молекул в міжзоряному середовищі в результаті квантових процесів може відбуватися набагато інтенсивніше, частіше, ніж передбачалося. Однак навіть якщо швидкості хімічних реакцій в космосі в мільярди разів перевищують ті, про які писав В. С. Стрельницький, все одно вік Всесвіту виявляється дуже і дуже значним. Тим більше, що перш ніж виникли молекули, повинні були з’явитися атоми.

Пошуки справжнього часу в геології та астрономії заводять далеко. Можливо, навіть дуже далеко, тому що ставлять під сумнів деякі звичні уявлення. І хоча вчені виступають за нові несподівані ідеї, лише в рідкісних випадках екзотичні гіпотези зустрічають прихильний прийом. І це, безумовно, можна зрозуміти — сумніви перш за все.

Але хіба не заманливо поміркувати над проблемою віку Всесвіту, зачепившись за таку, наприклад, гіпотезу!

Відомо, що швидкість світла у вакуумі – 300 000 кілометрів в секунду. Цифра ця – одна з ключових практично у всіх розрахунках віку Всесвіту.

Але хтозна, чи не слід зробити одне уточнення: мається на увазі швидкість світла в сучасному вакуумі. А яка гарантія того, що мільярди років тому властивості космічного вакууму були точно такими, як нині!

Проблема еволюції вакууму (який часто ототожнюється з енергоємним станом, звідки як би виринають елементарні частинки) порівняно нова і, можливо, дуже перспективна.

Якщо ми приймаємо швидкість світла у вакуумі постійною, то це абсолютно справедливо для даного стану Всесвіту.

Однак промінь світла, неймовірно довго подорожуючий в космосі, міг з часом пробігати через вакуум різної «щільності», а тому швидкість його змінювалася. Червоне зміщення, можливо, повідомляє нам ні про що інше, як про зміни космічного вакууму. Цілком зрозуміло – чим далі від нас об’єкт в просторі, тим далі він від нас і в часі, тим довше йшов від нього сигнал і тим більш ранню стадію еволюції вакууму він відображає…

Всесвіт змінюється, з цим доводиться рахуватися тепер будь-якій науковій гіпотезі. Крім варіанту гарячого народження є і альтернативний. Від свого початкового стану Всесвіт надзвичайно повільно переходив до нинішнього. Варіант «холодного народження» Всесвіту може грунтуватися на гіпотезі послідовної появи, «виринання» пар елементарних частинок з первинного вакууму.

Щоб з вакууму, частка за часткою, виникла вся маса речовини, яка складає видимий нами світ, потрібно чимало часу. Однак природа не обмежена на відміну від нас в такій “малості”, як час. Для неї рівні і мить, і вічність. Їй чужі поняття початку і кінця, настільки знайомі нам. (Коли на таких поняттях будуються космогонії, то важко позбутися враження, що вони творять світ за образом і подобою людини.)

Найбільш складне питання, пов’язане з холодним народженням Всесвіту, відноситься до долі античастинок — їх повинно бути рівно стільки, що і частинок. Де вони?

Існує кілька можливих варіантів поділу, відокремлення світів та антисвітів. Однак жоден з них не можна вважати до кінця переконливим. Адже скрізь частинки і античастинки народжувалися одночасно, парами і при зустрічах своїх повинні були негайно анігілювати, переходити у випромінювання. Важко уявити такий фільтр, крізь який «просіялися» всі до однієї елементарні частинки нашої Галактики, а античастинки були затримані і відкинуті геть, і слід їх пропав у безмежності космосу.

Залишається ще один варіант, який майже не випробуваний в рамках сучасних космогонічних гіпотез. Все те, що ми називаємо звичною нам матерією і припускаємо складеним з речовини (на відміну від антиречовини), в дійсності може являти собою результат об’єднання частинок і античастинок. Про таку можливість побіжно згадав відомий американський фізик Р. Фейнман в одній зі своїх робіт.

У тому, що ця ідея не настільки вже абсурдна, переконує недавнє відкриття так званих квазіядерних мезонів. У цих частинках, нехай і ненадовго, зливаються воєдино дві протилежності – нуклон і антинуклон.

«Холодне народження» Всесвіту відкриває нам безодню часу, робить практично нескінченним процес утворення і перетворень видимого нам світу. Хоча і зовсім не виключається подальше збігання і розбігання галактик, стиснення і розширення Метагалактики — космічні цикли тривалістю в десятки мільярдів років.

Висновки

Автор зовсім не збирається стверджувати, ніби вік Землі, Сонця або всієї Метагалактики неодмінно обчислюється в тисячах мільярдів років і т. д. хотілося б тільки показати, що подібна можливість не виключена.

Так значить – повна невизначеність? Ні, звичайно. Історія науки показує, що безмежна допитливість людини дозволяє їй знаходити все більш точні геологічні та астрономічні «годинники», що відзначають вік тих чи інших об’єктів. Тільки не слід забувати, що зазвичай ми отримуємо мінімальні дати існування космічних тіл. Спроби з’ясувати максимальні дати досі залишаються в залежності від суб’єктивних факторів: прихильності автора хронологічних розрахунків до певної космогонічної теорії (гіпотези). Чи можливі об’єктивні оцінки? Час покаже…

Автор: Р. Баландін.