Вивчення майбутнього Всесвіту принципово відрізняється від вивчення минулого. Минуле залишило свої сліди, і, виявляючи їх, ми перевіряємо правильність своїх уявлень. Картина майбутнього - це всього екстраполяція, пряма перевірка тут неможлива. І тим не менше сьогодні фундамент фізичних і астрофізичних знань настільки міцний, що дозволяє з достатньою впевненістю розглядати віддалене майбутнє Всесвіту.
Воно залежить насамперед від того, чи буде вона вічно розширюватися. Розглянемо спочатку майбутнє необмежено розширення однорідної Всесвіту з щільністю, що не перевищує критичного значення. Які ж процеси відбудуться в цій необмежено розширення Всесвіту?
Перший з таких процесів зараз ні у кого не викликає сумнівів - зірки в майбутньому згаснуть. Сонце закінчить свою активну еволюцію через кілька мільярдів років і перетвориться в білий карлик розміром з Землю, який буде поступово остигати.
Зірки масивніше Сонця проживуть ще менше і в залежності від маси врешті-решт перетворяться або в нейтронні зірки з поперечником всього в десятки кілометрів, або в чорні діри.
Нарешті, можливий катастрофічний вибух в кінці життєвого шляху зірки з повним її руйнуванням. Так, мабуть, вибухають деякі зірки, звані надновими.
Зірки менш масивні, ніж Сонце, живуть довше, але і вони рано чи пізно перетворюються в остиглі карлики.
У наш час виникають і нові зірки з міжзоряного середовища. Однак настане час, коли необхідні запаси ядерної енергії та речовини будуть вичерпані, нові зірки народжуватися не будуть, а старі перетворяться в холодні тіла або чорні діри.
Зоряна ера еволюції Всесвіту закінчиться приблизно через 1014 років. Цей термін величезний, він в 10 тисяч разів більше часу, що пройшов від початку розширення Всесвіту до наших днів. А тепер про долю галактик. Зоряні системи - галактики - складаються з сотень мільярдів зірок. У центрах Галлактік, ймовірно, знаходяться надмасивні чорні діри, про що свідчать бурхливі процеси в галактичних ядрах, які спостерігаються астрофізиками. Для майбутнього галактик істотні дуже рідкісні в наш час події, коли будь-яка зірка в результаті гравітаційної взаємодії з іншими зірками набуває велику швидкість, залишає галактику і перетворюється в міжгалактичного мандрівника. Зірки поступово залишатимуть галактику, а її центральна частина буде понсмногу стискатися, перетворюючись в дуже компактне зоряне скупчення. В такому скупченні зірки будуть стикатися один з одним, перетворюючись в газ, і цей газ в основному буде падати в центральну сверхмассивную діру, збільшуючи її масу. Зірки також будуть руйнуватися приливними силами, пролітаючи дуже близько від цієї чорної діри.
Кінцевий етап - це надмасивна чорна діра, що поглинула залишки зірок центральної частини галактики, і розсіювання близько 90 відсотків усіх зірок зовнішніх частин в просторі. Процес руйнування галактик закінчиться приблизно через 1019 років, всі зірки до цього часу давно згаснуть і втратять право називатися зірками.
Для подальших процесів визначальною є передбачали сучасною фізикою нестабільність ядерного речовини. Мається на увазі, що протон хоча і дуже довго живе, але все ж нестабільна частинка. Теорія "великого об'єднання", яка передбачає бурхливі процеси в епоху з 10-34 секунди по 10
32 секунди після початку розширення Всесвіту, пророкує і необхідність розпаду протона (а також і нейтрона в складі складних ядер, який в цих умовах також вважався стабільним). Середній час його життя оцінюється приблизно в 1032 років. Кінцевий продукт розпаду протона - один позитрон, випромінювання у вигляді фотона, нейтрино і, можливо, одна або кілька електронно-позитронного пар. Хоча розпад протона ще не спостерігалося безпосередньо, мало хто з фізиків сумнівається в неминучості такого процесу.
Отже, приблизно через тисячу тридцять два роки ядерна речовина повністю розпадеться. Зі світу зникнуть навіть згаслі зірки. Але розпад ядерного речовини вже задовго до цього терміну почне відігравати важливу роль в еволюції Всесвіту. Позитрони, що виникають при розпаді нуклонів (це загальна назва протонів і нейтронів), анігілюють з електронами, перетворюючись в фотони, які разом з фотонами, прямо що виникають при розпаді нуклона, нагрівають речовину. Тільки нейтрино вільно залишають зірку і забирають близько 30 відсотків всієї енергії розпаду.
Процес розпаду буде підтримувати температуру померлих зірок і планет на рівні хоч і низькому, але все ж помітно відмінному від абсолютного нуля. Так, білі карлики, охолонувши за 1017 років до температури 5 кельвінів, будуть потім зберігати цю температуру через виділення енергії при розпаді речовини всередині їх. Нейтронні зірки остигають за 1019 років до температури близько 100 кельвінів, після чого розпад речовини в них буде підтримувати цю температуру.
Через +1032 років все ядерне речовина повністю розпадеться, зірки і планети перетворяться на фотони і нейтрино.
Дещо інша доля у розсіяного в просторі газу, який залишиться після руйнування галактик (по масі він може скласти близько одного відсотка всього речовини Всесвіту). Ядерне речовина цього газу теж, зрозуміло, розпадеться через один тисяча тридцять дві років. Однак в цьому випадку позитрони, що виникають при розпаді, вже
НЕ будуть аннигилировать з електронами - через крайню розрідженості газу ймовірність зустрічі цих частинок надзвичайно мала, і в результаті утворюється розріджена електронно-позитронна плазма.
До цього часу, тобто через 1032 років, у Всесвіті залишаться ще чорні діри, що виникли з масивних ввезд після їх згасання, і надмасивні чорні діри, що утворилися в центрах галактик (про їхню долю ми скажемо трохи пізніше).
Що ж буде відбуватися у Всесвіті після розпаду ядерного речовини?
В ту далеку епоху у Всесвіті будуть присутні фотони, нейтрино, електронно-позитронна плазма і чорні діри. Основна частина маси виявиться зосередженої в фотонах і нейтрино. Бо саме в ці види матерії перетвориться звичайна речовина після розпаду. Розпочнеться ера випромінювання. Правда, треба пам'ятати, що це випромінювання, надзвичайно сильно тепле.
З розширенням Всесвіту щільність маси випромінювання швидко буде падати, так як зменшується і щільність числа частинок, і енергія кожного кванта (а значить, і його маса). На відміну від лікування середня щільність звичайної матерії у вигляді електронно-позитронної плазми і чорних дірок зменшується тільки через зменшення їх концентрації при розширенні Всесвіту. Значить, щільність цих видів матерії убуває повільніше, ніж щільність випромінювання. Тому на часі +1033 років щільність матерії вже буде визначатися головним чином масою, укладеної в чорних дірах. Її буде набагато більше, ніж в електронно-позитронної плазмі. Якщо маса спокою нейтрино НЕ нуль, як ми це розбирали вище, то значна частка маси останегся також в нейтрино. На зміну ері випромінювання прийде ера чорних дір!
Але і чорні діри не вічні. В поле тяжіння поблизу чорної діри відбувається, як ми знаємо, народження частинок; причому у чорних дір з масою порядку зоряної і більше виникають кванти випромінювання. Такий процес веде до зменшення маси чорної діри, вона поступово перетворюється в фотони, нейтрино, Гравітон. Але процес цей надзвичайно повільний. Скажімо, чорна діра з масою в 10 мас Сонця випарується за 1069 років, а надмасивна чорна діра, маса якої ще в мільярд разів більше, - за 1096 років. І все ж поступово все чорні діри перетворяться в випромінювання, і воно знову стане домінуючим по масі у Всесвіті, знову настане ера випромінювання. Однак це випромінювання незрівнянно більш холодну, ніж випромінювання в епоху розпаду речовини. Внаслідок розширення Всесвіту щільність випромінювання, як уже говорилося, падає швидше щільності електрон-но-позитронної плазми, і через 10100 років стане домінуючою саме ця плазма і, крім неї, у Всесвіті не залишиться практично нічого.
На перший погляд картина еволюції Всесвіту в віддаленому майбутньому виглядає досить песимістично через поступове розпаду, деградації, розсіювання.
До віку Всесвіту 10100 років в світі залишаться практично тільки електрони і позитрони, розсіяні в просторі з жахливо незначною щільністю: одна частка припадатиме на обсяг, рівний 10185 обсягами всій видимій сьогодні Всесвіту. Чи означає це, що в майбутньому замруть всі процеси, не відбуватиметься активних рухів фізичних форм матерії, неможливо буде існування будь-яких складних систем, а тим більше розуму в якій би то не було формі?
Ні, такий висновок був би хибний. Звичайно, з нашої сьогоднішньої точки зору всі процеси в майбутньому будуть надзвичайно уповільнені, але ж і просторові масштаби тоді будуть іншими. Нагадаємо, що на самому початку розширення Всесвіту, коли температура була приблизно одна тисяча двадцять сім кельвінів, відбувалися процеси народження речовини, текли бурхливі реакції, тривалість яких обчислювалася 10
34 секунди, а просторові масштаби були порядку 10-24 сантиметри. З точки зору подібних масштабів і надшвидких процесів сьогоднішні події у Всесвіті, в тому числі і наше життя, це щось неймовірно повільне і надзвичайно розтягнуте в просторі. На думку відомого американського фізика Дайсона, в будь-якому віддаленому майбутньому можливі будуть складні форми руху матерії і навіть розумне життя, правда, в незвичних формах, і "пульс життя буде битися все повільніше, але ніколи не зупиниться".