Может ли Вселенная схлопнуться?
Согласно одному из предположений, Вселенная существовала всегда, просто она то сжимается в сингулярность, то снова раздувается – и этот цикл бесконечен.
Но математические выкладки этого предположения так и не позволили нам понять, можно ли как-то проверить то, циклична ли наша Вселенная или у нее есть лишь одно начало и один конец.
И вот недавно команда теоретиков с помощью теории струн сумела объяснить некоторые из самых фундаментальных загадок ранней Вселенной. Результат их исследования дает теоретический толчок для построения Вселенной с нуля – а значит и для обоснования предположения о цикличности Вселенной.
С чего же начать?
Если вы хотите создать свою частную теоретическую модель вселенной, никто не вправе вам помешать – выдумывайте свою личную космологию.
Но если вы хотите объяснить нашу Вселенную, вам придется играть по ее правилам. А это означает, что какой бы ни была ваша модель, она должна совпадать с накопленным багажом космических наблюдений.
К примеру, мы знаем, что Вселенная сейчас расширяется. Звезды и галактики с ускорением улетают от нас. Используя различные методы, ученые способны точно вычислить, с какой скоростью от нас отлетают как более близкие, так и более дальние галактики.
У нас также есть портрет молодой вселенной, когда ей было всего 380 000 годиков (сейчас ей уже 13,8 миллиарда). На этом портрете есть необычные закономерности – пятна, иллюстрирующие небольшие перепады температуры и давления в ранней Вселенной.
Все эти наблюдения объясняются теорией Большого взрыва и Инфляционной моделью , которая описывает, что происходило в первые доли секунды. В эти первые мгновения Вселенная очень-очень быстро расширялась, и тем самым масштабировала небольшие квантовые различия до огромных масштабов. Отсюда и появлиись перепады температуры и давления. (И именно благодаря этой неравномерности спустя миллиарды лет появились первые звезды и галактики. Но это уже другая история.)
Воспламеняющаяся вселенная
Хотите придумать свою собственную космологию? Найдите более полноценное объяснение расширения вселенной и тех пятен на «детской фотографии».
Вам может показаться, что это довольно просто, придумать свою версию. Конечно, это не так. Различия в давлении, плотности и температуре в молодой Вселенной «опровергли» огромное количество альтернативных космологий. Среди них и теория об Экпиротической Вселенной (от др.-греч слова ekpyrotic ─ воспламенение).
В экпиротическом сценарии вселенная постоянно повторяет себя. И сейчас мы находимся в фазе «взрыва», который в какой-то момент замедлится, остановится и обратится. В итоге все сожмется обратно в сингулярность. А потом каким-то образом снова расширится и начнется новая фаза «взрыва».
Проблема в том, что при таком сценарии сложно объяснить пятна на «детской фотографии» Вселенной. По экпиротическому сценарию всё должно быть равномерным, без перепадов температуры, плотности и давления.
Такая версия не только не способна объяснить наши наблюдения – она вообще ведет ко вселенной, в которой нет ни галактик, ни звезд, ни нас с вами.
Всё спасает S-брана
В последние несколько лет ученые, изучающие экпиротический сценарий, пытаются объяснить все те наблюдения, которые объясняются инфляционной моделью. И вот команда таких ученых попробовала использовать для этого S-брану.
Вы наверняка слышали о теории струн . Согласно теории струн, каждая частица – это маленькая вибрирующая струна. Эти струны не обязаны быть одномерными. Они могут быть многомерными – бранами .
Большинство бран в теории струн могут свободно перемещаться по пространству и времени, но гипотетические S-браны могут существовать лишь в конкретный момент времени и лишь при определенных условиях.
Какую роль такая S-брана могла бы сыграть в экпиротическом сценарии? Она могла появиться в тот момент, когда вселенная сжалась. И именно она могла снова запустить расширение с небольшими перепадами температуры и давления.
Таково новое предположение трех физиков, чья статья была недавно выложена на сайт препринтов arXiv. Их работа еще не прошла рецензирование.
Правы ли они? Кто знает.
В последние годы теория струн оказалась на тонком льду, так как эксперименты вроде тех, что проводятся в Большом адронном коллайдере, не выявили следов суперсимметрии – одной из основ теории струн.
А S-браны являются спорным вопросом даже в среде тех, кто профессионально изучает теорию струн.
Не стоит забывать и о том, что наша Вселенная не просто расширяется, она это делает с ускорением. И вроде бы она не собирается замедляться. Поэтому пока что сложно даже предположить, что может вынудить ее обратить свое расширение.
Тем не менее, идеи вроде экпиротического сценария стоят того, чтобы их исследовать.
Источник
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
7 научных версий того, как будет уничтожена наша Вселенная
Но эти фантазии почти всегда охватывают только сценарии конца света на Земле. Если же апокалипсис наступит в масштабах Вселенной, ни о какой борьбе с зомби или жизни в бункерах под радиоактивной пустошью, населённой мутантами, можно не мечтать.
Вот несколько научных версий того, как будет уничтожена наша Вселенная. Большинство из них намного страшнее тех картин, что показывают в популярной культуре.
1. Теория Большого разрыва
Многие вещи в квантовой физике остаются загадкой даже для лучших умов планеты. Одним из самых насущных вопросов является наличие тёмной энергии. По подсчётам учёных она составляет примерно 68,3% всей массы Вселенной. Это гипотетический вид энергии, и им пытаются объяснить ускорение расширения Вселенной, которое по всем законам физики должно было, наоборот, замедляться.
Так может наступить Большой разрыв – гипотетический сценарий, когда тёмная энергия станет сильнее обычной и начнёт отталкивать друг от друга сначала галактики, затем звёзды, планеты и так вплоть до мельчайших частиц. В конце концов тёмная энергия вытолкнет ядра из атомов и разорвёт всю материю.
Учитывая то, что наличие тёмной энергии оспаривается многими учёными, эта теория может быть ошибочной.
2. Теория Большого краха
Некоторые учёные придерживаются теории Большого краха, похожей на теорию Большого разрыва. По ней всё во Вселенной может взять и одновременно распасться на составляющие. Дело в том, что всё в этом мире состоит из частиц, будь то муравей или звезда. Любая материя подчиняется так называемым фундаментальным константам, которые являются неизменными во всей Вселенной. Примеры констант: скорость света и масса протона.
Но, как выяснили физики из Австралии, постоянная тонкой структуры изменилась как в пространстве, так и во времени после Большого взрыва. Это значит, что фундаментальные константы всё-таки могут трансформироваться. Если одна из них изменит значение, тогда то, что заставляет атомы притягиваться друг к другу, может преобразиться и заставить их отталкиваться. Однако, по мнению учёных, этого не должно произойти в ближайшие 3 тыс. млрд лет.
3. Столкновение с другой Вселенной
Есть две основных теории о размере Вселенной. Одни учёные предполагают, что она конечна, другие считают, что она бесконечна. Если верно предположение первых, то за границами нашей Вселенной может скрываться другая Вселенная. Никто не мешает им столкнуться, если между ними действуют всё те же законы гравитации, что и в нашей Вселенной.
Тут есть две основные проблемы. Одна из них – огромные скорости, на которых расширяется Вселенная. Если другие миры расширяются так же быстро, то их столкновение будет иметь разрушительные последствия. Вторая – возможное отличие законов физики. Если в нашей Вселенной гравитация действует по одному принципу, в другой она может отличаться, и никто не знает, к чему приведёт их взаимодействие.
4. Теория Большого сжатия
Здесь всё снова сводится к размерам Вселенной. Если она бесконечна, никаких проблем нет. Если конечна, это может привести к апокалипсису. Дело в том, что с момента Большого взрыва наша Вселенная продолжает непрерывно расширяться. Однажды она может достичь предела и начать сжиматься. После этого Вселенная коллапсирует и схлопнется в сингулярность (её предполагаемое состояние в начале Большого взрыва).
Большое сжатие не противоречит общей теории относительности, так что реализация этого сценария вполне возможна. К счастью, это не должно произойти ещё многие миллиарды лет.
5. Теория Большого отскока
Когда создавалась теория Большого взрыва, она не учитывала то, что происходило до этого события и что его вызвало. По данной теории Вселенная появилась из сингулярности, то есть из одной точки. Это не совсем согласуется с общей теорией относительности, и физики стали искать другое объяснение возникновению Вселенной.
Они разработали теорию Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада предыдущей Вселенной. По этой же теории наша Вселенная может схлопнуться, и из неё возникнет новый мир. Интересно то, что по теории Большого отскока наша Вселенная могла быть создана как в результате первого цикла, так и миллиардного.
6. Эпоха чёрных дыр
Постепенно количество свободного вещества будет уменьшаться, и прекратится образование новых звёзд. Начнёт появляться всё больше белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр. Все галактики, входящие в состав локального скопления, сольются в одну.
Чёрные дыры будут поглощать всё оставшееся вещество и излучать его в виде фотонов. По одной из теорий чёрные дыры будут сталкиваться между собой, пока не образуют огромную чёрную дыру с бесконечной продолжительностью жизни. Она же, если разогреется до планковской температуры и достигнет планковской плотности, может вызвать новый Большой взрыв.
Если этого не произойдёт, и все чёрные дыры вместо слияния в одну большую коллапсируют, во Вселенной не останется никаких источников энергии, температура приблизится к абсолютному нулю, и оставшиеся атомы позитрония со временем полностью аннигилируют, после чего наступит эпоха вечной тьмы.
7. Отключение смоделированной Вселенной
Существует достаточно популярная теория о том, что наша Вселенная – это компьютерная симуляция. Раньше эта теория натыкалась на главный аргумент в невозможности смоделировать столь огромное и детализированное пространство на компьютерах любых мощностей. Но сегодня с ростом производительности суперкомпьютеров эта теория уже не выглядит такой неправдоподобной.
Если наша Вселенная действительно смоделирована, то она могла включаться и выключаться уже несколько раз для очередного обновления, технического обслуживания или по другим причинам. Интересно то, что мы этого просто не заметим, ведь для нас, помещённых в своеобразный стазис, не пройдёт и доли секунды с момента отключения до включения.
Но если всё же кто-то решит, что этот проект не стоит затрат мощностей, и нажмёт на кнопку выключения, для всех живых существ мгновенно наступит небытие. Возможно, это одна из тех странных научных теорий, которые могут оказаться правдой.
Источник