Может ли Вселенная однажды схлопнуться?
Одним из важнейших достижений 20 века стало точное определение того, насколько большой, обширной и массивной является наша Вселенная. Имея примерно два триллиона галактик, заключенных в объеме радиусом в 46 миллиардов световых лет, наша наблюдаемая Вселенная позволяет нам реконструировать полную историю нашего космоса, аж до Большого Взрыва и может быть даже немного раньше. Но как насчет будущего? Какой будет Вселенная? Будет ли?
Большое сжатие может все уничтожить
Кто-то говорит, что расширение Вселенной замедляется. Нобелевскую премию присудили за «открытие» того, что расширение Вселенной увеличивается. Но кто прав? Может ли Вселенная однажды схлопнуться в процессе так называемого Большого Сжатия (обратного Большому Взрыву)?
Что такое большое сжатие
Лучше всего будущее поведение предсказывается на основе поведения прошлого. Но так же, как люди могут иногда удивлять нас, Вселенная тоже может.
Скорость расширения Вселенной в определенный момент зависит только от двух факторов: полной плотности энергии, существующей в пространстве-времени, и количества присутствующей кривизны пространства. Если понимаем законы гравитации и как различные типы энергии эволюционируют с течением времени, мы можем восстановить все, что происходило в определенный момент в прошлом. Мы также можем взглянуть на различные удаленные объекты на разных расстояниях и измерить, как растянулся свет из-за расширения пространства. Каждая галактика, сверхновая, молекулярное газовое облако и т. п. — все, что поглощает или испускает свет, — расскажет космическую историю того, как расширение пространства растягивало его с момента рождения света до момента нашего наблюдения его.
Из множества независимых наблюдений мы смогли сделать вывод, из чего непосредственно состоит Вселенная. Мы сделали три больших независимых цепочек наблюдений:
- В космическом микроволновом фоне присутствуют температурные флуктуации, которые кодируют информацию о кривизне Вселенной, нормальной материи, темной материи, нейтрино и общем содержании плотности.
- Корреляции между галактиками на самых больших масштабах — известные как барионные акустические колебания — обеспечивают очень строгие измерения общей плотности материи, соотношения нормальной материи и темной материи и как менялась скорость расширения со временем.
- И самые отдаленные, светящиеся стандартные свечи во Вселенной, сверхновые типа Iа, рассказывают нам о скорости расширения и темной энергии, как они менялись со временем.
Эти цепочки доказательств, все вместе, рисуют нам последовательную картину Вселенной. Они рассказывают нам, что есть в современной Вселенной, и дают нам космологию, в которой:
- 4,9% энергии Вселенной представлена нормальной материей (протонами, нейтронами и электронами);
- 0,1% энергии Вселенной существует в форме массивных нейтрино (которые выступают как материя в последнее время и выступали как излучение в ранние времена);
- 0,01% энергии Вселенной существует в форме излучения (вроде фотонов);
- 27% энергии Вселенной существует в форме темной материи;
- 68% энергии присуще самому пространству: темная энергия.
Все это дает нам плоскую Вселенную (с кривизной 0%), Вселенную без топологических дефектов (магнитных монополей, космических струн, доменных стенок или космических текстур), Вселенную с известной историей расширения.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Google Новостях и Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Вселенная расширяется
Смотришь в космос и не понимаешь, где у него конец
Уравнения общей теории относительности очень детерминистичны в этом смысле: если мы знаем, из чего состоит Вселенная сегодня, и законы гравитации, мы точно знаем, насколько важным был каждый компонент в каждый отдельно взятый промежуток прошлого. Вначале доминировали излучение и нейтрино. Миллиарды лет самыми важными компонентами были темная материя и нормальная материя. За последние несколько миллиардов лет — и это будет усугубляться с течением времени — темная энергия стала доминирующим фактором в расширении Вселенной. Это заставляет Вселенную ускоряться, и с этого момента многие люди перестают понимать происходящее.
Есть две вещи, которые мы можем измерить, когда речь идет о расширении Вселенной: скорость расширения и скорость, с которой отдельные галактики, с нашей точки зрения, уходят в перспективу. Они связаны, но остаются разными. Скорость расширения, с одной стороны, говорит о том, как ткань пространства сама по себе растягивается с течением времени. Она всегда определяется как скорость на единицу расстояния, обычно задается в километрах в секунду (скорость) на мегапарсек (дистанция), где мегапарсек — это около 3,26 миллиона световых лет.
Если бы не было темной энергии, скорость расширения падала бы со временем, приближаясь к нулю, поскольку плотность вещества и излучения падала бы до нуля по мере расширения объема. Но с темной энергией эта скорость расширения остается зависимой от плотности темной энергии. Если бы темная энергия, например, была космологической постоянной, скорость расширения выровнялась бы до постоянного значения. Но при этом отдельные галактики, удаляющиеся от нас, ускорялись бы.
Скорость Вселенной
Представьте скорость расширения определенной величины: 50 км/с/Мпк. Если галактика находится от нас на расстоянии 20 Мпк, она, по-видимому, отступает от нас на скорости 1000 км/с. Но дайте ей время, и по мере расширения ткани пространства эта галактика в конечном счете будет дальше от нас. Со временем она будет вдвое дальше: 40 Мпк, и скорость удаления будет 2000 км/с. Пройдет еще времени, и она будет в 10 раз дальше: 200 Мпк, и скорость удаления 10 000 км/с. Со временем она удалится на расстояние 6000 Мпк от нас и будет удаляться на скорости 300 000 км/с, что быстрее скорости света. Чем дальше будет идти время, тем быстрее галактика будет уходить от нас. Вот почему Вселенная «ускоряется»: темп расширения падает, но скорость разбегания отдельных галактик от нас только растет.
Вселенная постоянно ускоряется, есть ли предел?
Все это согласуется с нашими лучшими измерениями: темная энергия представляет собой постоянную плотность энергии, присущую самому пространству. По мере того, как пространство растягивается, плотность темной энергии остается постоянной, и Вселенная закончит «Большим Замерзанием», когда все, что не связано воедино гравитацией (вроде нашей местной группы, галактики, Солнечной системы), будет расходиться и расходиться. Если темная энергия действительно космологическая постоянная, это расширение будет продолжаться бесконечно, пока Вселенная не станет холодной и пустой.
Когда случится большой разрыв
Но если темная энергия динамична — что возможно теоретически, но остается без наблюдаемых доказательств — все может закончиться Большим Сжатием или Большим Разрывом. В Большом Сжатии темная энергия будет ослабевать и постепенно обратит процесс расширения Вселенной, чтобы та начала сжиматься. Может даже возникнуть циклическая Вселенная, где «сжатие» дает начало новому Большому Взрыву. Если же темная энергия будет укрепляться, нас ждет другая судьба, когда связанные структуры будут разорваны постепенно нарастающим темпом расширения. Впрочем, сегодня все указывает на то, что нас ждет Большое Замерзание, когда Вселенная будет расширяться вечно.
Главные научные цели будущих обсерваторий вроде Euclid ЕКА или WFIRST NASA включают измерение того, является ли темная энергия космологической постоянной. И хотя ведущая теория говорит в пользу постоянной темной энергии, важно понимать, что могут быть возможности, не исключенные измерениями и наблюдениями. Грубо говоря, Вселенная все еще может схлопнуться, и это не исключено. Нужно больше данных.
Источник
10 теорий о том, каким будет конец нашей Вселенной
О Вселенной мы знаем пока очень мало. На самом деле, почти ничего. Но поскольку люди задумываются о том, что происходит после их смерти, смерть целой Вселенной интересует нас не меньше. За последние годы научное сообщество выдвинуло множество теорий — вы удивитесь, узнав, насколько сильно они отличаются друг от друга. Правды, само собой, не может знать никто.
1. Большое сжатие
Самая знаменитая теория о рождении Вселенной — это теория Большого взрыва. Она гласит, что вся материя изначально существовала как сингулярность — бесконечно плотная точка посреди великого ничто. А потом по непонятным причинам произошёл взрыв. Материя вырвалась наружу с невероятной скоростью и постепенно стала известной нам Вселенной.
Как вы могли догадаться, Большое сжатие — это Большой взрыв «наоборот». Вселенная постепенно расширяется под воздействием собственной гравитации, но этому должен быть предел — некая конечная точка, граница. Когда Вселенная достигнет этой границы, то прекратит расширяться и начнёт сжиматься. Тогда вся материя (планеты, звёзды, галактики, чёрные дыры -всё) снова сожмётся в одну бесконечно плотную точку.
Правда, последние данные этой теории противоречивы — учёные недавно обнаружили, что Вселенная расширяется всё быстрее.
2. Тепловая смерть Вселенной
В общем и целом Тепловая смерть — противоположность Большому сжатию. Согласно теории, гравитация способствует тому, что Вселенная продолжит расширяться в геометрической прогрессии. Галактики будут отдаляться от друга всё дальше и дальше, подобно несчастным любовникам, и всеобъемлющая чёрная пропасть между ними будет расти.
Вселенная следует тем же правилам, что и любая термодинамическая система: тепло равномерно распределяется по всему, что в ней есть. Всё вещество Вселенной равномерно распределено среди холодного, скучного и тёмного «тумана».
В конце концов все звёзды, одна за другой, вспыхнут и погаснут, а энергии для появления новых звёзд уже не будет — вселенная погаснет. Материя всё ещё останется на месте, но в форме частиц, чьё движение будет полностью хаотичным. Эти частицы будут сталкиваться друг с другом, но без обмена энергией. А люди? Люди тоже станут всего-навсего частицами посреди бескрайней пустоты.
3. Тепловая смерть плюс чёрные дыры
Согласно популярной теории, вся материя во Вселенной движется вокруг чёрных дыр: в центре почти всех известных нам галактик есть сверхмассивные чёрные дыры. Это может означать, что звёзды и даже целые галактики в итоге будут уничтожены, как только попадут в горизонт событий.
Когда-нибудь эти чёрные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся один на один с тёмной Вселенной. Время от времени здесь будут появляться вспышки света — это будет означать, что какой-то объект оказался достаточно близко к чёрной дыре, чтобы выделить энергию. Затем снова станет темно.
Потом более массивные чёрные дыры поглотят менее массивные и станут таким образом ещё больше. Но это ещё не конец Вселенной: чёрные дыры со временем испаряются (теряют свою массу), так как излучают то, что в современной науке получило название излучение Хокинга. И когда умрёт последняя чёрная дыра, во Вселенной останутся только равномерно распределённые частицы с излучением Хокинга.
4. Конец времени
Если и есть в этом мире хоть что-то вечное, то это, безусловно, время. Независимо от того, будет ли существовать Вселенная, время-то уж точно никуда не исчезнет — без него просто не было бы никакой возможности отличить предыдущий момент от последующего. Но что если время просто застынет? Что если того, что мы понимаем под моментами, вообще не будет? Всё застынет в одном и том же бесконечном мгновении — навсегда.
Предположим, мы живём в бесконечной Вселенной с бесконечным временем. Это значит, что всё, что может случиться, обязательно произойдёт со стопроцентной вероятностью. Такой же парадокс возникает, если вы живёте вечно. Представьте, что время вашей жизни неограниченно, поэтому всё, что только может произойти с вами, тоже обязательно произойдёт, причём бесконечное количество раз. Таким образом, если вы живёте вечно, то шанс ненадолго выбыть из строя составляет 100%, и вы потратите вечность в темноте космоса. На основании этого учёные сделали предположение: время, в конце концов, остановится.
Если бы вы могли жить вечно, чтобы испытать всё это (через миллиарды лет после гибели Земли), вы бы даже никогда и не поняли, что-то пошло не так. Время просто остановится, и, по мнению учёных, всё застынет в одном мгновении, как на фотографии — навсегда. Будет просто одно и то же мгновение. Вы бы никогда не умерли, никогда бы не состарились. Это было бы своего рода псевдобессмертие. Но вы бы никогда об этом не узнали.
5. Большой отскок
Большой отскок похож на Большое сжатие, но куда более оптимистичное. Сценарий тот же: под воздействием гравитации расширение Вселенной замедляется, и в итоге вся материя собирается в одной точке. Согласно этой теории, силы быстрого сжатия будет достаточно, чтобы случился новый Большой взрыв — и тогда появится новая, юная Вселенная. Согласно этой модели, ничто не погибнет — материя просто «перераспределится».
Но физикам и физике такое объяснение не нравится. Поэтому некоторые учёные утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдёт весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого она приблизится к этому состоянию максимально близко, а потом «отскочит» с помощью силы, подобной той, какая возникает, когда мяч отскакивает от пола.
Большой отскок очень похож на Большой взрыв — теоретически появится новая Вселенная. Таким образом, наша с вами Вселенная может быть не первой, а, скажем, 400 по счёту. Но нет никакого способа это доказать — как и опровергнуть.
6. Большой разрыв
Независимо от того, как именно погибнет Вселенная, учёные не стесняются для названия новой теории использовать слово «Большой». Это, кстати, ещё слабо сказано. Согласно теории Большого разрыва, невидимая сила под названием тёмная энергия заставит Вселенную расширяться быстрее. В итоге она так разгонится, что просто разорвётся на части.
Большинство теорий говорят, что Вселенная погибнет ещё очень нескоро. Но теория Большого разрыва сулит ей относительно скорую смерть — по предварительным оценкам это случится через 16 млрд лет.
Планеты и, возможно, жизнь ещё будут существовать. И этот вселенский катаклизм может разом всё погубить: разорвать всё на части или скормить космическим львам, живущим между вселенными. О том, что произойдёт, можно только догадываться. Но такой конец будет куда страшнее, чем медленная тепловая смерть.
7. Метастабильность вакуума
Теория основана на идее, что Вселенная постоянно находится в нестабильном состоянии — квантовая физика вообще говорит, что она балансирует на грани устойчивости. Некоторые учёные полагают, что через миллиарды лет Вселенная шагнёт за эту грань.
Когда это произойдёт, появится своего рода «пузырь». Думайте о нём, как об альтернативной Вселенной (хотя фактически это будет та же самая Вселенная с другими свойствами). Пузырь начнёт расширяться во всех направлениях со скоростью света и уничтожать всё, с чем соприкоснётся. И в итоге уничтожит всё.
Но не волнуйтесь: Вселенная при этом всё ещё будет существовать. Только законы физики в ней будут совершенно другими, но там тоже вполне может возникнуть жизнь. Только там не будет ничего, что мы, люди, будем в состоянии понять.
8. Временной барьер
Если мы попробуем рассчитать, какова вероятность существования мультивселенной, в которой есть бесконечное число вселенных, но немного (или совершенно) разных, то столкнёмся с той же проблемой, что и в теории о Конце времени: всё, что может случиться, обязательно случится.
Чтобы обойти эту проблему, учёные берут отдельный участок Вселенной и вычисляют вероятность его существования. Расчёты кажутся логичными, но делят Вселенную на отдельные куски — как торт. И у каждого куска есть граница, как у областей на политической карте мира. Только надо представить, что каждую страну разделяет устремляющая в небо стена.
Эта модель может существовать только в том случае, если границы — настоящие, физические, за пределы которых ничто не может выйти. Согласно расчётам, в ближайшие 3,7 млрд лет мы пересечём этот временной барьер, и для нас вселенная закончится.
Это в общих чертах — понимания физики, чтобы описать теорию более детально, у нас не хватает. У физиков, правда, тоже. Но перспектива кажется жутковатой.
9. Конца Вселенной не будет! (…мы же живём в мультивселенной, да?)
В мультивселенной бесконечные вселенные могут возникать в пределах всего существующего или за его пределами. Вселенные могут начинаться с Большого взрыва. Наша может закончиться Большим сжатием или Большим разрывом, или вообще Большим пинком (такую теорию ещё не придумали, так что если у вас есть знакомые физики, можете подкинуть им идею).
Но это не имеет значения: в мультивселенной наша Вселенная — не уникальный случай, она просто одна из многих. И хотя она может погибнуть, с мультивселенной при этом ничего особенного не случится. А значит, конца не будет.
Несмотря на то, что даже само время в других вселенных может быть совершенно другим и вести себя по-другому, новые вселенные в мультивселенной появляются всё время (извините за каламбур). Согласно физике, новых вселенных всегда будет больше, чем старых, так что в теории число вселенных постоянно растёт.
10. Вечная Вселенная
То, что Вселенная всегда была и всегда будет — одна из первых разработанных людьми концепций о её природе. Но есть и нечто посерьёзнее.
Можно предположить, что Большой взрыв был началом времени. Но возможно и то, что время существовало до него, а сингулярность и взрыв могли появиться из-за столкновения двух бран — листообразных структур пространства, формирующихся на более высоком уровне существования. Согласно этой модели, Вселенная циклична и всегда будет расширяться и сжиматься.
Теоретически мы может узнать это наверняка в ближайшие 20 лет. У учёных есть спутник «Планк» специально для наблюдений за Вселенной. Конечно, это нелегко, но учёные всё же могут понять, с чего началась наша Вселенная и чем она закончится. Теоретически, опять же.
Источник