Немезида как фактор вымирания

В 1980 г. покойный Луис Альварес, его сын Уолтер, Фрэнк Асаро и Хэлен Мичел из Калифорнийского университета в Беркли предположили, что некая комета (или астероид) столкнулась с Землей 65 млн лет назад, вызвав обширные атмосферные возмущения, которые привели к внезапному вымиранию динозавров. Изучив напластования горных пород, отложившиеся в руслах рек 65 млн лет назад, ученые обнаружили необычно высокое содержание иридия, который редко находят на Земле, но постоянно — в таких внеземных объектах, как метеориты. Гипотеза выглядела убедительно, поскольку комета диаметром 5 миль (8 км) столкнулась бы с Землей на скорости примерно 20 миль в секунду (32 км/с, что в десять раз превышает скорость пули) с силой 100 млн мегатонн ТНТ (или в 10 000 раз превосходящей мощность мирового ядерного арсенала). Такой объект оставил бы кратер диаметром 60 миль (96 км) и глубиной 20 миль (32 км), его обломки заслоняли бы Солнце на протяжении длительного времени. Это привело бы к резкому снижению температуры, и подавляющее большинство видов на планете было бы уничтожено полностью или частично.

В 1992 г. стало известно, что кандидат на роль убийцы динозавров уже найден. К тому времени в Мексике, на Юкатане, вблизи деревни Чикшулуб, был найден образовавшийся при ударе кратер диаметром 110 миль (176 км). В 1981 г. геофизики из мексиканской национальной нефтяной компании Ретех сообщили геологам, что обнаружили вблизи кратера гравитационные и магнитные аномалии круговой формы. Но лишь после того, как теория Альвареса приобрела популярность, геологи приступили к тщательному анализу следов катаклизма. Методы радиологического датирования с применением аргона-39 показали, что возраст юкатанского кратера — 64,98 ± 0,05 млн лет. Особенно впечатляло то, что на территории Мексики, Гаити и даже Флориды повсюду попадались мелкие, напоминающие стекло обломки — тектиты, вероятно, силикаты, оплавленные при падении огромного астероида или кометы. Стекловидные тектиты находят в осадочных породах, залегающих между отложениями третичного и мелового периодов. Анализ пяти различных образцов тектитов показывает средний возраст 65,07 ± 0,10 млн лет. Благодаря точности независимых измерений у геологов появился «виновник» гибели динозавров.

Одна из удивительных особенностей развития жизни на Земле заключается в том, что гибель динозавров была лишь одним из нескольких зафиксированных случаев массового вымирания. Другие подобные случаи оказались еще масштабнее того, которым завершился меловой период 65 млн лет назад. К примеру, массовое вымирание в конце пермского периода уничтожило 96 % всех видов растений и животных 250 млн лет назад. Трилобиты, господствующая форма жизни в земных океанах, таинственным и внезапным образом исчезли во время этого массового вымирания. Таких случаев массового вымирания флоры и фауны насчитывается пять. Если прибавить к ним менее известные случаи, тенденция просматривается отчетливо: массовое вымирание происходит каждые 26 млн лет. Палеонтологи Дэвид Рауп и Джон Сепкоски показали, что если мы представим графически численность известных видов Земли в конкретное выбранное время, то получим график, на котором резкое снижение количества форм жизни наблюдается каждые 26 млн лет, как по часам. Возвращаясь на десять циклов назад, мы окажемся в прошлом давностью 260 млн лет (за исключением двух циклов).

Во время одного цикла вымирания, в конце мелового периода и 65 млн лет назад, погибли почти все динозавры. В другом, в конце эоценового периода и 35 млн лет назад, с лица земли исчезли многие виды сухопутных млекопитающих. Но главный интерес представляет следующая загадка: что именно может иметь циклы продолжительностью 26 млн лет? Поиски цикла длиной 26 млн лет в биологических, геологических и даже астрономических данных ничего не дали.

Ричард Мюллер из Беркли предположил, что наше Солнце на самом деле является частью системы двойной звезды и что сестра нашего Солнца, названная Немезидой или Звездой смерти, вызывает периодическое вымирание живых существ на Земле. Была высказана догадка, что у нашего Солнца есть массивный незримый партнер, который обходит его орбиту каждые 26 млн лет. Проходя через облако Оорта (облако, состоящее из комет, предположительно существующее за орбитой Плутона), эта звезда порождает целую лавину комет, и некоторые из них падают на Землю, затмевая обломками и пылью солнечный свет.

Экспериментальным подтверждением этой оригинальной теории служит тот факт, что геологические пласты давнего прошлого, относящиеся к концу каждого цикла вымирания, содержат необычно большое количество иридия. Поскольку иридий обычно находят во внеземных метеоритах, вполне возможно, что эти следы иридия — обломки комет, падение которых вызвано Немезидой. В настоящее время мы находимся на пол-пути между циклами вымирания, и это означает, что Немезида, если она существует, находится в самой удаленной точке своей орбиты (вероятно, на расстоянии нескольких световых лет). Значит, до следующего ее приближения остается еще более 10 млн лет^[150].

К счастью, к тому моменту, как кометы из облака Оорта снова ворвутся в Солнечную систему, мы достигнем состояния цивилизации III типа, а значит, не только завоюем ближайшие звезды, но и начнем путешествовать сквозь пространство-время.

Смерть Солнца

Порой ученые задаются

вопросом: что в конце концов происходит с атомами нашего тела после смерти? Вполне возможно, что наши молекулы со временем возвращаются к Солнцу.

Наше Солнце — звезда среднего возраста. Ей примерно 5 млрд лет, она, вероятно, останется желтой еще 5 млрд лет. Когда же Солнце исчерпает запасы водородного топлива, то начнет сжигать гелий и быстро увеличится в размерах, станет красным гигантом. Его наружная оболочка стремительно разрастется и достигнет орбиты Марса, орбита Земли окажется полностью в атмосфере Солнца, и Земля сгорит от его гигантских температур. Молекулы, составлявшие наши тела и саму Землю, поглотит Солнце.

Саган рисует следующую картину:

Через миллиарды лет наступит последний прекрасный день в жизни Земли… Арктическая и антарктическая полярные шапки растают, прибрежные земли повсюду в мире будут затоплены. Высокая температура океанов вызовет интенсивное испарение воды и повысит облачность, которая защитит Землю от солнечного света и тем самым слегка отдалит финал. Но эволюция Солнца неизбежна. В конце концов океаны закипят, атмосфера улетучится в космос, и нашу планету постигнет катастрофа самых колоссальных масштабов, какие только можно вообразить^[151].

Таким образом, тем, кто желает знать, что уничтожит Землю — лед или пламя, — физика дает однозначный ответ: огонь. Но если человечество доживет до этого момента, то, скорее всего, к его наступлению давно покинет Солнечную систему. В отличие от сверхновой наше Солнце не скупится на предостережения об опасности.

Смерть галактики

Если говорить о временных масштабах порядка нескольких миллиардов лет, то надо понимать, что галактика Млечный Путь, в которой живем, погибнет. Точнее, мы живем на спиральной ветви (рукаве Млечного Пути) Ориона. Когда по ночам мы смотрим в небо и чувствуем себя карликами при виде бесчисленного множества небесных светил, на самом деле мы видим лишь малую часть звезд на рукаве Ориона. Миллионы звезд, вдохновлявшие поколения влюбленных и поэтов, составляют лишь малую толику этого рукава. Остальные 200 млрд звезд Млечного Пути так далеки, что их едва можно разглядеть как размытую ленту, пересекающую ночное небо.

На расстоянии примерно 2 млрд световых лет от Млечного Пути находится наша ближайшая соседка — огромная галактика (или туманность) Андромеды, в два-три раза превосходящая размерами нашу галактику. Эти две галактики сближаются со скоростью 125 км/с и столкнутся через 5–10 млрд лет. Как выразился астроном Ларе Эрнквист из Калифорнийского университета в Санта-Крус, это столкновение станет «аналогом принудительного поглощения одной компанией другой. Наша галактика будет поглощена и уничтожена»^[152].

Если наблюдать за происходящим из космоса, можно увидеть, как Андромеда сначала столкнется с Млечным Путем, а потом медленно вберет его в себя. Компьютерное моделирование столкновения галактик показывает, что гравитационное притяжение большей из них постепенно пересилит гравитацию меньшей, и после нескольких оборотов меньшая галактика окажется «съеденной». Но, поскольку звезды в галактике Млечный Путь разделены обширным космическим пространством, звезды будут сталкиваться сравнительно редко — может быть, несколько раз за столетие. Так что наше Солнце сможет довольно долго избегать столкновений.

В конечном итоге на временном отрезке длительностью миллиарды лет нас ждет гораздо более страшная участь — смерть самой Вселенной. Наиболее разумные формы жизни могут найти способы строительства космических ковчегов и избежать большинства природных катастроф, но как избежать гибели Вселенной, когда сам космос станет нашим злейшим врагом?

Ацтеки верили, что конец света наступит, когда солнце однажды упадет с неба. Они предсказывали, что это произойдет, «когда земля устанет… когда у земли закончится семя». В результате падения солнца звезды тоже свалятся с небес.

Возможно, ацтеки были близки к истине.

Остается лишь надеяться на то, что к тому времени, когда наше Солнце начнет гаснуть, человечество давным-давно покинет Солнечную систему и устремится к звездам. (В цикле «Основание» Азимова местонахождение нашей изначальной звездной системы уже несколько тысячелетий как забыто.) Но, так или иначе, все звезды на небесах неизбежно погаснут, когда иссякнет их ядерное топливо. Через десятки или сотни миллиардов лет нас ждет смерть самой Вселенной. Вселенная либо откроется и будет расширяться, пока температуры не достигнут абсолютного нуля, либо закроется, и в этом случае будет происходить процесс обратный расширению — Вселенная погибнет в неистовом Большом сжатии. Такой сценарий представляет серьезную угрозу даже для существования цивилизаций III типа. Спасет ли умение управлять гиперпространством эти цивилизации от последней катастрофы — гибели Вселенной?

Судьба Вселенной

Твердят, мол, сгинет мир в огне

Или во льду.

По опыту, пожалуй, мне

Приятней погибать в огне[23].

Роберт Фрост

Игра не закончена, пока она не закончилась.

Йоги Берра

Как мы уже видели, способность цивилизации на Земле или в космосе достичь уровня такого технического развития, чтобы можно было управлять силой гиперпространства, отчасти зависит от того, как цивилизация нулевого типа переживет типичные для нее катастрофы. Опасный период — первые несколько столетий после начала ядерной эпохи, когда техническое развитие цивилизации значительно опережает ее политическую и социальную зрелость, умение улаживать региональные конфликты.

К тому времени, как цивилизация достигнет уровня III типа, у нее появится достаточно развитая планетарная социальная структура, позволяющая избежать самоуничтожения, а также технологии настолько эффективные, чтобы избежать экологических и природных катастроф, таких как ледниковый период или схлопывание Солнца. Но даже цивилизации III типа нелегко избежать последней катастрофы — гибели самой Вселенной.

Даже самые мощные и технически совершенные космические корабли цивилизации III типа не спасут ее от финальной участи Вселенной.

О том, что когда-нибудь сама Вселенная погибнет, было известно ученым еще в XIX в. Чарльз Дарвин в «Автобиографии» писал о том, как страдал, осознав этот неоспоримый, но нагоняющий тоску факт: «Если, подобно мне, верить, что в отдаленном будущем человек станет более совершенным, чем сейчас, невыносимо думать, что он и все разумные существа обречены на полное исчезновение после столь длительного медленного прогресса»^[153].

Математик и философ Бертран Рассел писал, что предстоящее полное вымирание человечества — причина «непреходящего отчаяния». В отрывке, который, вероятно, повергает в уныние так, как ни один другой текст, написанный ученым, Рассел отмечал:

То, что человек есть продукт факторов, не предполагающих конечной цели движения; то, что его истоки, его развитие, его надежды и опасения, его пристрастия и убеждения не что иное, как результат случайного расположения атомов; то, что ни огонь, ни героизм, ни сила мысли или чувства не в состоянии сохранить жизнь в загробном мире; то, что все вековые труды, вся преданность, все вдохновение, все полуденное сияние человеческого гения обречены на вымирание вместе с гибнущей Солнечной системой и весь храм достижений Человека неизбежно будет погребен под обломками рухнувшей Вселенной, — все это хоть и не вполне бесспорно, однако настолько предопределено, что никакая философия, отвергающая перечисленное, не имеет надежды устоять. Только опираясь на эти истины, только на прочном фундаменте непреходящего отчаяния можно возвести обитель души^[154].

Рассел писал эти строки в 1923 г., за несколько десятилетий До начала космических полетов. Смерть Солнечной системы владела его помыслами как категоричный вывод из законов физики. В условиях ограниченности техники и технологии того времени это депрессивное заключение казалось неизбежным. С тех пор мы достаточно узнали об эволюции звезд, чтобы понять: наше Солнце в конце концов станет красным гигантом, и Землю поглотит ядерный пожар. Вместе с тем мы разобрались в азах космических путешествий. Во времена Рассела сама мысль о больших кораблях, способных доставить человека на Луну или далекие планеты, казалась безумием. Но благодаря экспоненциальному развитию техники и технологии перспектива гибели Солнечной системы, как мы уже видели, перестала внушать человечеству ужас. К тому времени, как наше Солнце превратится в красный гигант, человечество будет или погребено под прахом ядерной войны, или найдет себе пристанище среди звезд.

Тем не менее нетрудно распространить «непреходящее отчаяние» Рассела не только на гибель нашей Солнечной системы, но и на смерть всей Вселенной. В последнем случае никакой космический ковчег не спасет человечество. Вывод кажется неопровержимым: физики предсказывают, что все разумные формы жизни, какими бы развитыми они ни были, неминуемо погибнут вместе с Вселенной.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна Вселенная будет либо продолжать расширяться вечно в направлении «космического всхлипа^[155]», и в этом случае температура во Вселенной достигнет почти абсолютного нуля, либо сократится в ходе коллапса, Большого сжатия. Вселенная погибнет или «во льду», раскрывшись, или «в огне», схлопнувшись. В любом случае цивилизация III типа обречена, потому что температуры окажутся близкими либо к абсолютному нулю, либо к бесконечности.

Для того чтобы выяснить, какая участь нас ждет, космологи с помощью уравнений Эйнштейна занялись вычислением общего количества материи-энергии во Вселенной. Так как материя в формуле Эйнштейна определяет степень искривления пространства-времени, нам необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной, чтобы определить, достаточно ли материи и энергии для того, чтобы гравитация дала обратный ход космическому расширению после изначального Большого взрыва.

Критический показатель средней плотности материи определяет окончательную участь Вселенной и всей разумной жизни в ней. Если средняя плотность Вселенной менее 10-29 г/см3, что соответствует 10 мг вещества, распространенным в объеме, равном объему Земли, тогда Вселенная будет продолжать расширяться вечно, пока не станет однообразно холодным, безжизненным пространством. Если же средняя плотность превышает эту величину, тогда материи достаточно для того, чтобы сила гравитации во Вселенной придала обратное направление Большому взрыву и Вселенная пала жертвой невообразимо высоких температур Большого сжатия.

В настоящее время ситуация с экспериментами сложная. Астрономам известно несколько способов определения массы галактики, а затем и массы Вселенной. Первый из них — подсчет звезд в галактике и умножение полученного числа на среднюю массу каждой звезды. Вычисления, проведенные таким трудоемким способом, показывают, что средняя плотность меньше критической величины и что Вселенная будет расширяться вечно. Проблема этих вычислений заключается в том, что в них не учитывается материя, которая не светится (например, пылевые облака, черные дыры, холодные звезды-карлики).

Есть и второй способ выполнения вычислений, на этот раз с применением законов Ньютона. Вычисляя время, которое требуется звездам для перемещения по галактике, астрономы используют законы Ньютона для определения общей массы галактики. Точно так же сам Ньютон определил массу Луны и Земли через время, которое требуется Луне для прохождения по орбите вокруг Земли.

Проблему представляет несоответствие этих способов вычислений. Астрономам известно, что до 90 % массы галактики имеет форму скрытой, невыявляемой «недостающей массы», или «темного вещества», которое не светится, но имеет вес. Даже если включить в расчеты приблизительную величину для несветящегося межзвездного газа, законы Ньютона предполагают, что галактика намного тяжелее, чем представляется согласно вычислениям по количеству звезд.

Пока астрономы не решат проблему «недостающей массы» или «темного вещества», мы не в состоянии ответить на вопрос, будет ли Вселенная сокращаться, превратится в пылающий шар и схлопнется или же она будет расширяться вечно.

Энтропийная смерть

Предположим на минуту, что средняя плотность Вселенной меньше критической величины. Поскольку содержание материи-энергии определяет искривленность пространства-времени, мы обнаруживаем, что материи-энергии недостаточно, чтобы сделать обратимым коллапс Вселенной. В таком случае Вселенная будет беспрепятственно расширяться, пока температура в ней не достигнет почти абсолютного нуля. При этом возрастает энтропия (которая измеряет степень хаоса или беспорядка во Вселенной). В конце концов Вселенную ждет энтропийная смерть.

Английский физик и астроном сэр Джеймс Джинс еще на рубеже нынешнего века писал об окончательной гибели Вселенной, называя это явление «тепловая смерть»: «Второй закон термодинамики предполагает, что конец у Вселенной может быть только один — „тепловая смерть“ при температурах настолько низких, что жизнь при них невозможна»^[156].

Для того чтобы понять, как происходит энтропийная смерть, важно знать три закона термодинамики, которые управляют всеми химическими и ядерными процессами на Земле и звездах. Британский ученый и писатель Чарльз Сноу нашел оригинальный способ запоминания этих трех законов:

1. Нельзя победить (т. е. нельзя получить что-то без ничего, так материя и энергия сохраняются).

2. Нельзя сыграть вничью (нельзя вернуться в прежнее энергетическое состояние, поскольку беспорядок, энтропия всегда нарастают).

3. Нельзя выйти из игры (потому что абсолютный нуль недостижим).

Для смерти Вселенной наиболее важен второй закон, который гласит, что любой процесс дает прирост количества беспорядка (энтропии) во Вселенной. В сущности, второй закон термодинамики — неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Представьте себе, как добавляете сливки в чашку с кофе. Порядок (кофе и сливки в отдельной посуде) естественным образом сменяется беспорядком (произвольно смешанные сливки и кофе). Но процесс, обратный энтропии, — восстановление порядка из хаоса — чрезвычайно сложен. «Разделить» смешанные жидкости и поместить их в разную посуду невозможно без сложных химических преобразований. Точно так же горящая сигарета наполняет дымом пустую комнату и увеличивает в этой комнате энтропию. Порядок (табак и бумага) снова превращается в беспорядок (дым и пепел). Процесс, обратный энтропии, т. е. втягивание дыма в сигарету и превращение пепла в табак, невозможен даже в самой лучшей химической лаборатории планеты.

Аналогично, всем известно, что разрушать проще, чем строить. Строительство дома может занять целый год, а огню хватает одного-двух часов, чтобы разрушить его. Понадобилось почти 5000 лет, чтобы преобразить кочующие группы охотников в великую цивилизацию ацтеков, которая процветала в Мексике и Центральной Америке и возводила величественные памятники своим богам. Но Кортесу и конкистадорам понадобилось всего несколько месяцев, чтобы разделаться с цивилизацией ацтеков.

Энтропия неуклонно растет как на звездах, так и на нашей планете. В конечном итоге это означает, что звезды исчерпают запасы своего ядерного топлива и угаснут, превратившись в мертвые массы ядерного вещества. Звезды одна за другой перестанут мерцать, Вселенная потемнеет.

Благодаря своим знаниям об эволюции звезд мы можем нарисовать довольно мрачную картину смерти Вселенной. Все звезды станут черными дырами, нейтронными звездами или холодными белыми карликами (в зависимости от их массы), и это произойдет в пределах 1024 лет после того, как их ядерные топки погаснут. Энтропия будет нарастать по мере скольжения звезд вниз, по кривой энергии связи, до тех пор, пока ядерное топливо не истощится окончательно. В пределах 1032 лет все протоны и нейтроны во Вселенной наверняка распадутся. Согласно теориям Великого объединения, протоны и нейтроны нестабильны при больших промежутках времени. Это означает, что в конце концов вся материя, известная нам, в том числе Земля и Солнечная система, распадется на мелкие частицы — электроны и нейтрино. Таким образом, разумные существа ждет малоприятная перспектива: протоны и нейтроны в их организме распадутся. Организм разумных существ уже не будет состоять из привычных 100 химических элементов, нестабильных на протяжении длительного времени. Разумной жизни придется найти способ создавать себе новые тела из энергии, электронов и нейтрино.

По прошествии невероятного множества лет — 10100 (гугол) температура во Вселенной почти достигнет абсолютного нуля. Разумная жизнь в этом мрачном будущем столкнется с перспективой вымирания. Не сумев подобраться ближе к звездам, представители разумной жизни замерзнут насмерть. Но даже в пустынной холодной Вселенной при температурах, близких к абсолютному нулю, останется еще один, последний источник энергии — черные дыры. Согласно космологу Стивену Хокингу, черные дыры не сплошь черные: на протяжении длительного времени энергия постепенно вытекает из них в космос.

В отдаленном будущем черные дыры могут стать спасителями человечества, так как они излучают энергию, испаряясь. Разумная жизнь неизбежно будет скапливаться вблизи черных дыр и получать от них энергию, чтобы приводить в действие машины. Как мерзнущие бездомные жмутся к угасающему костру, так и разумные цивилизации сократятся до жалких и убогих поселений возле черной дыры^[157].

Но что же, спросите вы, будет дальше, по прошествии 10100 лет, когда запасы энергии испаряющихся черных дыр иссякнут? Астрономы Джон Барроу из Университета Суссекса и Джозеф Силк из Калифорнийского университета в Беркли предупреждают, что имеющиеся у нас на сегодняшний момент знания не дают ответа на такой вопрос. В таком временном масштабе квантовая теория, к примеру, оставляет открытым вопрос о возможности туннелирования нашей Вселенной в другую вселенную.

Вероятность событий такого рода исключительно мала, их понадобится ждать на протяжении периода, превышающего продолжительность жизни нашей нынешней Вселенной, так что нам незачем беспокоиться о том, что реальность коллапсирует при нашей жизни, а вместе с этим коллапсом появится и новый свод физических законов. Но если речь идет о промежутке продолжительностью 10100 лет, тогда даже такие редкие космические квантовые события не следует сбрасывать со счетов.

Барроу и Силк добавляют: «Где есть квантовая теория, там есть и надежда. Мы не можем быть абсолютно уверенными в том, что „тепловая смерть“ неизбежна, так как не можем с полной определенностью предсказать будущее квантовомеханической Вселенной; ибо в бесконечном квантовом будущем все, что может произойти, в конце концов произойдет»^[158].