Бесконечная пустота или большой взрыв: как Вселенная закончит свое существование?
Мало того, что ученые не уверены в том, как Вселенная закончит свое существование, они даже не уверены, закончит ли она его вообще.
Не раз высказывались предположения относительно судьбы нашей Вселенной. Как правило, названия конца были устрашающими, такими как Большое Замораживание, Большое Разрушение и т.д. В конце концов, как утверждали, со Вселенной может произойти коллапс, при котором уничтожатся все звезды и галактики, или же она может расшириться в бесконечную пустоту.
«Правда лишь в том, что сценарий конца света по-прежнему открыт, никто не знает наверняка, что может произойти», — говорит астрофизик Стив Ален (Steve Allen), специалист Стенфордского университета. «Однако, чтобы произошли события, которые могут привести к концу, должно пройти еще очень-очень много времени, и если люди тогда еще будут существовать, то им придется очень несладко».
Роль темной энергии
Судьба нашей Вселенной во многом зависит от таинственного вещества под названием темная энергия. Так называются необъяснимые силы, противодействующие гравитации, которые могут «растянуть Вселенную по швам». Темная энергия была изначально обнаружена, когда ученые занялись изучением того, насколько замедляется расширение Вселенной из-за силы притяжения, которая «тянет ее внутрь». Они обнаружили, что на самом деле скорость расширения Вселенной лишь увеличивается. За это шокирующее открытие трое астрофизиков получили в 2011 году Нобелевскую премию.
Если в будущем темная энергия будет оказывать такое же влияние на Вселенную, то пространство будет продолжать расширяться, а расстояние между галактиками будет все шире и шире. В конце концов, мы не сможем увидеть что-либо за пределами Млечного Пути, потому что все будет слишком далеко.
«Сегодня мы смотрим в небо и видим просто фантастические вещи: галактики, их столкновения и многое другое», — говорит Ален. «Но если расширение будет продолжаться с такой же скоростью, то эти галактики уйдут слишком далеко, и человек не сможет их видеть вообще. Космос становится все менее красивым местом, а Вселенная все более уединенной».
Этот сценария развития событий часто называют Большим Замораживанием, потому что Вселенная в итоге превратится в холодное, темное и пустое место.
Данное видение – это, скорее всего, будущее нашей Вселенной, говорят ученые, потому что наблюдения говорят о том, что сила темной энергии очень стабильна и таковой останется на протяжении еще очень длительного периода времени. Возможно, что темная энергия – это именно то, что Эйнштейн называл космической постоянной (термин, который он использовал в своей общей теории относительности).
Однако, Большое Замораживание не является чем-то неизбежным. Если темная энергия не является постоянной величиной, а вместо этого увеличивается с течением времени, мы столкнемся с другим развитием событий. Настоящая сила темной энергии в данный момент считается слишком малой даже для того, чтобы преодолеть силу тяжести в локальных масштабах. Однако, если она будет становиться сильнее, она сможет противодействовать не только пространству между галактиками, но и пространству внутри них.
«В какой-то момент галактики могут сами себя разорвать», — говорит физик университета штата Пенсильвания Мартин Боевальд (Martin Bojowald). «Млечный путь может быть разорван, вопрос в том, коснется ли это Солнечной системы».
Еще один вариант развития событий предполагает, что сила темной энергии уменьшится с течением времени. В этом случае расширение Вселенной замедлится, и в конечном итоге остановится совсем. Если темная энергия станет достаточно слабой, гравитация может, в конечном счете, победить и Вселенная «сама себя поглотит», то есть произойдет Большое Сжатие.
«В начале коллапс будет очень безобидным, плотность Вселенной увеличится, но очень медленными темпами. Однако, через некоторое время коллапс приведет к тому, что плотность Вселенной будет такой же в момент Большого Взрыва», — говорит Боевальд.
Согласно общей теории относительности в момент Большого Взрыва Вселенная была размером всего в одну точку, при этом она была «бесконечно плотной». Однако, большинство физиков полагают, что данная теория является неполной, потому как не может полностью описать, что происходило с квантовыми и гравитационными силами тогда.
Таким образом, если Вселенная начнет поглощать себя, пока не ясно остановится ли она, достигнув своего первоначального вида, или же какая-то неизвестная сила запустит цикл жизни по новой.
«Наш самый важный вопрос заключается в том, что собой представляет темная энергия. Полученные ответы зависят от понимания физической природы темной энергии».
Исследователи все же надеются найти ответ на это вопрос, поскольку поиски не прекращаются, и они получают все более точные данные о скорости расширения Вселенной с течением времени. В течение следующего десятилетия ученые планируют дать точную информацию о том, что происходило с темной энергией за 14 миллиардов после Большого Взрыва.
Источник
Космологи выяснили, как долго проживет наша Вселенная
МОСКВА, 5 апр – РИА Новости. Наша Вселенная будет существовать не бесконечно – она внезапно окончит свою жизнь примерно через 10 в 139 степени лет в результате нового Большого Взрыва, который будет порожден «частицей бога», бозоном Хиггса, говорится в статье, опубликованной в Physical Review D.
Конец вечности
До начала 1990 годов ученые считали, что Вселенная является вечной и неизменной структурой, чьи границы бесконечно расширяются с фиксированной скоростью, заданной во время Большого Взрыва. Открытие темной энергии – загадочной субстанции с отрицательной энергетической плотностью, заставляющей мироздание расширяться все быстрее и быстрее, указало на конечность существования Вселенной.
Как предполагают космологи сегодня, ее жизнь закончится или «Большим Разрывом», своеобразным антиподом Большого Взрыва, или сжатием Вселенной и новым взрывом, в зависимости от свойств темной энергии, природу которой еще предстоит прояснить.
Шварц и его коллеги считают, что главной угрозой для существования будет выступать не темная энергия, пронизывающая все мироздание, а ее более «приземленный» и уже открытый кузен – поле и бозон Хиггса.
По теории Хиггса, Вселенную пронизывает особое поле, с которым взаимодействуют все существующие элементарные частицы: чем сильнее они сцепляются с полем, тем выше будет их масса. Если это поле существует, то должны существовать и бозоны Хиггса — особые частицы, отвечающие за его взаимодействие с протонами, электронами и другими частицами видимой и темной материи.
Одним из возможных следствий существования этого поля является то, что мы живем не в настоящем, а в так называемом «ложном вакууме». Это означает, что самое низкое энергетическое состояние, в котором могут находиться частицы в нашем мире, которое физики называют «вакуумом», на самом деле не является абсолютным «нулем», или минимумом на языке математики.
Лопнувший пузырь вакуума
Как недавно выяснили теоретики, «абсолютный вакуум» может возникнуть внутри некоторых черных дыр, если масса бозона Хиггса изменится даже на небольшое значение, или в тех случаях, если они обладают достаточно малыми размерами.
Подобное изменение, как показывают расчеты Шварц и его коллег, произойдет в очень далеком будущем, примерно через десять миллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов лет (10 в 139 степени лет).
Появление «пузырей» истинного энергетического минимума внутри черной дыры, как объясняют физики, станет катастрофическим событием для Вселенной. Так как такой вакуум более «выгоден» с энергетической точки зрения, его «пузырь» быстро заполнит все мироздание, высвобождая энергию, запасенную в «ложном вакууме». В результате этого она буквальным образом «закипит», взорвется и прекратит свое существование. Так как граница этого пузыря движется со скоростью света, то мы не почувствуем и не увидим конца мироздания.
Как отмечает Шварц, масса бозона Хиггса и топ-кварка, самой тяжелой элементарной частицы, пока были измерены не очень точно, что не позволяет вычислить точную «дату смерти» Вселенной. При самом неблагоприятном исходе событий, ее жизнь может завершиться намного раньше, примерно через 10 в 58 степени лет, или же намного позже, через 10 в 241 степени лет.
Что интересно, нашей Вселенной очень повезло в этом отношении. Если бы массы этих частиц были больше или меньше их текущих значений на очень малые величины, примерно 7-10 ГэВ, то тогда бы она или не существовала в принципе, или бы прожила меньше триллионной доли секунды.
Источник
Какой конец ждет Вселенную и сможет ли кто-нибудь спастись?
Наука выделяет четыре основных пути, на которых Вселенная может встретить свою судьбу. Это Большое Замерзание, Большой Хруст, Большое Изменение и Большой Разрыв. Если вам эти названия ничего не говорят, сейчас все поймете. Вас не должен удивить факт того, что наша планета обречена. Пройдет немного времени, всего 6 миллиардов лет, и Земля, скорее всего, испарится, когда Солнце расширится до красного гиганта и поглотит нашу планету.
Но Земля — это просто планета в Солнечной системе, Солнце — одна из сотен миллиардов звезд в галактике, и в наблюдаемой Вселенной скрываются сотни миллиардов галактик. Что уготовлено для них для всех? Как закончит свои дни Вселенная?
Наука может только догадываться о том, как это произойдет. Мы даже не уверены, как именно Вселенная погибнет, определенным образом или просто медленно сойдет на нет. Наше лучшее понимание физики приводит нас к нескольким вариантам глобального апокалипсиса. Также оно дает нам несколько советов о том, как это в принципе можно было бы пережить.
Несмотря на свое название, тепловая смерть Вселенной не представляется огненным адом. Напротив, это смерть всех уровней тепла. Звучит не очень страшно, но тепловая смерть — это хуже, чем запечься до корочки. Это потому, что почти все в повседневной жизни требует определенных разниц температур, прямо или косвенно.
К примеру, ваш автомобиль работает, потому что внутри двигателя они теплее, чем снаружи. Компьютер работает на электричестве от местной электростанции, которая, вероятно, работает путем нагрева воды и отвода тепла к турбине. Вы питаетесь едой, которая своим существованием обязана гигантской разнице температур между Солнцем и остальной частью Вселенной.
Когда Вселенная достигнет тепловой смерти, везде будет одна температура. Это означает, что ничего интересного больше никогда не произойдет. Все звезды умрут, вся материя распадется, все превратится в редкий бульон из частиц и излучения. Даже энергия этого бульона будет уменьшаться с течением времени в результате расширения Вселенной, оставляя все с температурой едва ли выше абсолютного нуля.
В этом процессе Большого Замерзания Вселенная станет равномерно холодной, мертвой и пустой.
После разработки теории термодинамики в начале 1800-х годов, тепловая смерть выглядит как единственным возможным путем конца Вселенной. Но через 100 лет общая теория относительности Эйнштейна провозгласила, что у Вселенной может быть куда более интересная судьба.
Общая теория относительности говорит, что материя и энергия искривляют пространство и время. Это отношение между пространством-временем и материей-энергии — между сценой и актерами на ней — распространяется на всю Вселенную. Все, что есть во Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяет конечную судьбу самой Вселенной.
Теория предсказывает, что Вселенная в целом должна либо расширяться, либо сжиматься. Она не может оставаться в прежнем размере. Эйнштейн понял это в 1917 году и так не хотел это признавать, что отказался от собственной теории.
Тогда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Эйнштейн изменил свое мнение, назвав свою предыдущую настойчивость относительно статической Вселенной «величайшей ошибкой» своей карьеры.
Если Вселенная расширяется, когда-то она должна была быть меньше, чем сейчас. Понимание этого привело к появлению теории Большого Взрыва: идеи о том, что Вселенная началась с невероятно малой точки и быстро расширилась. Мы можем увидеть это по «послесвечению» Большого Взрыва — в качестве космического микроволнового фона — постоянного потока радиоволн, идущих со всех направлений в небе.
Для Вселенной, содержащей обычную «начинку» — материю и свет, — ответ на вопрос зависит от количества этой начинки. Больше начинки — значит, больше гравитации, которая стягивает все назад и замедляет расширение. Пока количество начинки не превосходит критический порог, Вселенная будет расширяться вечно и в конечном итоге умрет тепловой смертью.
Но если начинки будет слишком много, расширение Вселенной замедлится и остановится. Тогда Вселенная начнет сжиматься. Сокращающаяся Вселенная будет становиться все меньше и меньше, плотнее и горячее, пока все не закончится в красочном компактном аду, противоположном Большому Взрыву и известном как Большое Сжатие.
На протяжении большей части 20 века астрофизики не были уверены, какой из этих сценариев возымеет действие. Большое Замерзание или Большое Сжатие? Лед или огонь? Они пытались провести космическую перепись, подсчитав количество начинки в нашей Вселенной. Оказалось, что мы до странного близко находимся к критическому порогу, и наша судьба остается под вопросом.
В конце 20 века все изменилось. В 1998 году две соперничающих группы астрофизиков сделали невероятное заявление: расширение вселенной ускоряется.
Обычная материя и энергия не могли бы повлиять на Вселенную таким образом. Это стало первым свидетельством существования нового фундаментального вида энергии, «темной энергии», поведение которой совершенно загадочно для нас.
Но это не означает, что и Большое Замерзание неизбежно. Есть и другие возможные исходы.
Один из них произошел не в процессе изучения космоса, а из мира субатомных частиц. Это, пожалуй, наиболее странная из возможных судеб Вселенной: что-то фантастическое и при этом вероятное.
В классическом научно-фантастическом романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», «лед-девять» представляет собой новую форму водяного льда с интересными свойствами: он образуется при температуре 46 градусов, а не 0. Если кристалл льда-девять уронить в стакан с водой, вода вокруг кристалла примет его форму, так как его энергия ниже, чем у жидкой воды. Новые кристаллы льда-девять будут проделывать то же самое с водой вокруг себя, и в мгновение ока цепная реакция превратит всю воду в стакане — или в океанах Земли — в твердый лед-девять.
То же самое может случиться в реальной жизни с нормальным льдом и нормальной водой. Если вы наберете в очень чистый стакан очень чистой воды и охладите ее ниже нуля градусов, вода станет переохлажденной: она будет оставаться жидкой ниже естественной точки замерзания. В воде нет никаких примесей, а в стакане нет неровностей, чтобы начал образовываться лед. Но если вы уроните кристалл льда в воду, вода быстро замерзнет, как лед-девять.
Лед-девять и переохлажденная вода могут показаться мало связанными с судьбой Вселенной. Но что-то похожее происходит с самим пространством. Квантовая физика гласит, что даже в абсолютном вакууме присутствует небольшое количество энергии. Но тогда должен существовать другой тип вакуума, содержащий меньше энергии. Если это так, тогда вся Вселенная похожа на стакан с переохлажденной водой. И будет оставаться таковой, пока не покажется «пузырь» вакуума с низкой энергией.
К счастью, мы не знаем таких пузырей. К несчастью, квантовая физика утверждает, что если низкоэнергетический вакуум возможен, пузырь с таким вакуумом неизбежно появится где-то во Вселенной. Когда это произойдет, то подобно истории со льдом-девять новый вакуум «преобразует» старый вакуум вокруг себя. Пузырь будет расти со скоростью света, и мы никогда не увидим его приближения. Внутри пузыря все будет совершенно другим и явно не гостеприимным. Свойства фундаментальных частиц вроде электронов и кварков могут быть совершенно другими, переписывающими правила химии и, возможно, препятствующими образованию атомов. Люди, планеты и даже сами звезды могут быть уничтожены в процессе этого Большого Изменения. В работе 1980 года физики Сидни Коулман и Франк де Люччия назвали его «глобальной экологической катастрофой».
Есть и четвертая возможность, и опять темная энергия занимает центральное место. Эта идея очень спорная и невероятная, но не стоит сбрасывать ее со счетов. Темная энергия может быть намного мощнее, чем мы думаем, и сама по себе привести Вселенную к концу без всяких Больших Изменений, Замерзаний и Сжатий.
У темной энергии есть своеобразное свойство. Когда Вселенная расширяется, ее плотность остается постоянной. Это означает, что со временем она разрастается, чтобы идти в ногу с увеличением объема Вселенной. Это необычно, хотя и не нарушает законы физики.
Тем не менее все может быть намного страннее. Что, если плотность темной энергии увеличивается по мере расширения Вселенной? Точнее, что, если количество темной энергии во Вселенной увеличивается быстрее, чем расширяется сама Вселенная?
Эту идею выдвинул Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере, Нью-Гемпшир. Он назвал это «фантомной темной энергией». И она приводит нас к невероятно странной судьбе Вселенной.
Если фантомная темная энергия существует, тогда нас ждет темная сторона силы, выражаясь языком «Звездных войн». Сейчас плотность темной энергии чрезвычайно низка, намного ниже плотности материи на Земле или даже плотности галактики Млечный Путь, которая намного менее плотная, чем Земля. Однако с течением времени плотность фантомной темной энергии может нарастать и разрывать Вселенную на части. В работе 2003 года Колдуэлл и его коллеги представили сценарий под названием «космический конец света». Как только фантомная темная энергия становится более плотной, чем конкретный объект, этот объект разрывается в клочья.
Сначала фантомная темная энергия разорвет Млечный Путь, отправив его звезды в полет. Затем разорвется Солнечная система, поскольку притяжение темной энергии станет мощнее, чем притяжение Солнца относительно Земли. Наконец, за несколько минут Земля просто взорвется. Сами атомы начнут распадаться, и уже через секунду Вселенная будет разорвана. Колдуэлл называет это Большим Разрывом. Большой Разрыв, по признанию самого Колдуэлла, «весьма диковинный» сценарий.
Фантомная темная энергия бросает вызов фундаментальным идеям Вселенной, вроде допущения о том, что материя и энергия не могут двигаться быстрее скорости света. Это хорошие аргументы против Большого Разрыва. Наблюдения за расширением Вселенной, а также эксперименты с физикой частиц показывают, что в качестве конца света более вероятно Большое Замерзание, за которым последует Большое Изменение, а затем и Большое Сжатие.
Очевидно, конкретно у нас нет причин переживать о конце Вселенной. Все эти события произойдут через триллионы лет в будущем, за исключением разве что Большого Изменения, так что пока все идет по плану. Также нет причин беспокоиться за человечество. Если не случится иное, генетический разрыв изменит наших потомков до неузнаваемости задолго до этого. Однако смогут ли разумные существа любого вида, люди или нет, выжить в принципе?
Физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью-Джерси, рассмотрел этот вопрос в классической работе 1979 года. В то время он пришел к выводу, что жизнь сможет изменить себя, чтобы пережить Большое Замерзание, которое, как считал физик, будет менее проблемным, чем ад Большого Сжатия. Но в наши дни он менее оптимистичен, благодаря открытию темной энергии.
«Если Вселенная ускоряется, это плохие новости, — говорит Дайсон. Ускоренное расширение означает, что мы в конечном итоге потеряем контакт со всем, кроме горстки галактик, что резко ограничит количество доступной нам энергии. — В долгосрочной перспективе такая ситуация будет весьма печальной».
Однако положение вещей может измениться. «Мы на самом деле не знаем, будет ли расширение продолжаться и почему оно ускоряется, — говорит Дайсон. — Оптимистичный взгляд на вещи состоит в том, что ускорение будет замедляться по мере расширения Вселенной. Если это произойдет, будущее будет более благоприятным».
Но что, если расширение не будет замедляться или станет известно, что грядет Большое Изменение? Некоторые физики предлагают решение, безумное в принципе. Чтобы избежать конца Вселенной, мы должны построить собственную Вселенную в лаборатории и удрать в нее.
Один из физиков, работавших над этой идее, это небезызвестный Алан Гут из Массачусетского технологического института в Кембридже; он известен своими работами на тему юной Вселенной.
«Не могу сказать, что законы физики допускают возможность такого, — говорит Гут. — Если это возможно, потребуются технологии, выходящие за пределы всего, что мы можем представить. Это потребует гигантского количества энергии, которую еще нужно будет добыть и удержать».
По сути, вы провоцируете скачок создания совершенно новой Вселенной. По мере расширения области пространства, граница будет сокращаться, создавая пузырь искривленного пространства внутри чего-то большего. Фанатам «Доктора Кто» это может показаться знакомым, и по словам Гута, TARDIS это довольно точная аналогия того, о чем идет речь. В конце концов, «снаружи» сожмется до нуля, и новорожденная Вселенная начнет собственное существование, независимое от судьбы предыдущей Вселенной. Очевидно, как эта схема сработает на самом деле, совершенно непонятно. Мы даже не знаем, возможно это или нет.
Впрочем, у Гута есть другой источник надежды на лучшую судьбу для нашего мира — проблеск надежды. Гут первым предположил, что в самой юности Вселенная расширилась чрезвычайно быстро за долю секунды, эта идея известна как «инфляция». Многие космологи считают, что инфляция является самым точным описанием расширения юной Вселенной, и Гут предлагает создать новую Вселенную, опираясь именно на этот процесс быстрого расширения.
Инфляция имеет интригующие последствия для конечной судьбы Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная — это малая часть мультивселенной, множества карманных вселенных, которые плавают вокруг.
«В таком случае, даже если мы убедимся, что наша отдельная Вселенная умрет в процессе замерзания, мультивселенная будет жить вечно, и новая жизнь будет рождаться в каждой отдельной карманной Вселенной, — говорит Гут. — Мультивселенная воистину бесконечная, а в бесконечном будущем отдельные Вселенные могут жить и умирать сколько им вздумается».
Источник