Patrząc na dzisiejszy wszechświat, bardzo łatwo jest być zachwyconym tym, co widzisz. Gwiazdy na naszym nocnym niebie to tylko niewielki ułamek, kilka tysięcy z setek miliardów tego, co jest obecne w naszej Drodze Mlecznej. Sama Droga Mleczna to tylko jedna z bilionów galaktyk obecnych w obserwowalnym wszechświecie, który rozciąga się we wszystkich kierunkach przez około 46 miliardów lat świetlnych. Wszystko zaczęło się około 13,8 miliarda lat temu od gorącego, gęstego, szybko rozszerzającego się stanu znanego jako Wielki Wybuch.
To właśnie od Wielkiego Wybuchu mamy okazję opisać nasz Wszechświat jako pełen materii i promieniowania oraz połączyć dobrze znane prawa fizyki wyjaśniające współczesną postać kosmosu. Ale wszechświat nadal się rozszerza. Pojawiają się nowe gwiazdy, przestrzeń ewoluuje. Jak to się skończy? Zapytajmy naukę.
Jaki jest koniec wszechświata
Przez długi czas naukowcy, którzy badali strukturę i ewolucję wszechświata, rozważali trzy możliwości oparte na prostej fizyce ogólnej teorii względności i kontekście rozszerzania się wszechświata. Z jednej strony grawitacja aktywnie łączy wszystko w jedną całość; jest to siła przyciągająca kontrolowana przez materię i energię we wszystkich ich formach, które są obecne we wszechświecie. Z drugiej strony istnieje początkowa szybkość ekspansji, która rozdziela wszystko.
Wielki Wybuch był strzałem, po którym rozpoczął się największy wyścig wszechczasów: między grawitacją a rozszerzaniem się wszechświata. Kto w końcu wygra? Odpowiedź na to pytanie zadecyduje o losach naszego świata.
Myśleliśmy, że Wszechświat ma następujące opcje:
Film promocyjny:
- Wszechświat upadnie podczas Wielkiej Kompresji. Ekspansja rozpocznie się szybko, a duże ilości materii i promieniowania zostaną rozerwane. Jeśli materii i energii jest więcej niż wystarczająco, wszechświat rozszerzy się do pewnego maksymalnego rozmiaru, ekspansja odwróci skurcz i wszechświat ponownie się zapadnie.
- Wszechświat rozszerzy się na zawsze i doprowadzi do Wielkiego Mrozu. Wszystko zacznie się tak samo jak powyżej, ale tym razem ilość materii i energii nie wystarczy, aby oprzeć się ekspansji. Wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, ponieważ tempo ekspansji nadal spada, ale nigdy nie osiąga zera.
- Ekspansja Wszechświata dąży asymptotycznie do zera. Wyobraź sobie sytuację graniczną między dwoma powyższymi przykładami. Jeszcze jeden proton - i załamujemy się; jeden mniej - rozwijamy się w nieskończoność. W tym krytycznym przypadku Wszechświat rozszerza się w nieskończoność, ale z najniższą możliwą prędkością.
Aby dowiedzieć się, która opcja jest poprawna, musieliśmy tylko zmierzyć, jak szybko wszechświat się rozszerza i jak zmieniało się tempo rozszerzania w czasie. Reszta to kwestia fizyki.
To było jedno z największych wyzwań współczesnej astrofizyki. Zmierz prędkość, z jaką wszechświat się rozszerzał i dowiedz się, jak zmienia się dziś struktura przestrzeni. Zmierz, jak zmieniało się tempo rozszerzania w czasie i dowiedz się, jak zmieniła się struktura przestrzeni w przeszłości.
Połącz te dwie informacje, a to, jak zmieniło się tempo ekspansji i jakie to było, pozwoli ci określić, z czego zbudowany jest wszechświat iw jakich proporcjach.
O ile wiemy, na podstawie tych pomiarów ustaliliśmy, że Wszechświat składa się z 0,01% promieniowania, 0,1% neutrin, 4,9% zwykłej materii, 27% ciemnej materii, 68% ciemnej energii. To poszukiwanie, które dla niektórych rozpoczęło się w latach dwudziestych XX wieku, otrzymało nieoczekiwaną odpowiedź pod koniec lat dziewięćdziesiątych.
Więc jeśli ciemna energia dominuje nad rozszerzaniem się wszechświata, co to oznacza dla naszego przeznaczenia? Wszystko zależy od tego, jak - lub czy - ciemna energia ewoluuje w czasie. Oto pięć opcji.
Ciemna energia jest kosmologiczną stałą dominującą w ekspansji. Jest to ustawienie domyślne i uwzględnia nasze najlepsze dane. Podczas gdy materia staje się coraz mniej gęsta, gdy wszechświat się rozszerza, słabnie wraz ze wzrostem objętości, ciemna energia reprezentuje niezerową ilość energii właściwą tkance samej przestrzeni. Gdy wszechświat się rozszerza, gęstość ciemnej energii pozostaje stała, co powoduje, że ekspansja zawsze pozostaje dodatnia.
Skutkuje to wykładniczo rozszerzającym się wszechświatem i ostatecznie popchnie wszystko, co nie jest częścią naszej lokalnej grupy. Już 97% widzialnego Wszechświata staje się w takich warunkach niedostępnych.
Ciemna energia jest dynamiczna iz czasem staje się coraz potężniejsza. Ciemna energia wydaje się być nową formą energii, która jest nieodłączna dla samej przestrzeni, co oznacza, że ma stałą gęstość energii. Ale może się też zmieniać w czasie. Jednym z możliwych sposobów zmiany jest jego stopniowy wzrost, co doprowadzi do przyspieszenia tempa rozszerzania się wszechświata.
Odległe obiekty nie tylko oddalą się od nas, ale zrobią to coraz szybciej. Co gorsza, obiekty, które są teraz związane grawitacyjnie - takie jak gromady galaktyk, pojedyncze galaktyki, układy słoneczne, a nawet atomy - pewnego dnia rozwiążą się, gdy ciemna energia twardnieje. W ostatnich chwilach istnienia wszechświata cząstki subatomowe i sama struktura czasoprzestrzeni zostaną rozerwane. Ten los - Wielkie Rozerwanie - to nasza druga opcja.
Ciemna energia jest dynamiczna iz czasem słabnie. Jak inaczej może zmienić się ciemna energia? Zamiast wzmacniać, może osłabiać. Oczywiście szybkość ekspansji jest zgodna ze stałą ilością energii należącej do samej przestrzeni, ale ta gęstość energii może również spaść.
Jeśli osłabnie do zera, wszystko dojdzie do jednej z opisanych powyżej możliwości: Wielkiego Mrozu. Wszechświat będzie się rozszerzał, ale bez wystarczającej ilości materii i innych form energii, aby pomóc mu ponownie się zapaść.
Jeśli rozpad okaże się ujemny, może to prowadzić do innej możliwości: Big Shrink. Wszechświat zostanie wypełniony energią tkwiącą w przestrzeni, która nagle zmieni znaki i spowoduje kurczenie się przestrzeni. Ta opcja jest również możliwa.
Ciemna energia przekształci się w inną formę energii, która odmładza wszechświat. Jeśli ciemna energia nie rozpada się, ale pozostaje stała lub nawet nasila się, pojawia się inna możliwość. Ta energia tkwiąca w strukturze przestrzeni nie zawsze może pozostać w tej formie. Zamiast tego może przekształcić się w materię i promieniowanie, podobnie jak wtedy, gdy skończyła się kosmiczna inflacja i rozpoczął się Wielki Wybuch.
Jeśli ciemna energia pozostanie niezmienna do tego momentu, stworzy bardzo, bardzo zimną i rozproszoną wersję żarzącego się Wielkiego Wybuchu, w którym tylko neutrina i fotony mogą się tworzyć. Ale jeśli intensywność ciemnej energii wzrośnie, może to doprowadzić do stanu podobnego do inflacji, po którym nastąpi nowy, naprawdę gorący Wielki Wybuch. To najłatwiejszy sposób na odmłodzenie Wszechświata przy zadanych parametrach.
Ciemna energia jest związana z zerową energią próżni kwantowej i rozpadnie się, niszcząc nasz wszechświat. To najbardziej niszczycielska szansa ze wszystkich. A jeśli ciemna energia nie jest prawdziwą ilością pustej przestrzeni w konfiguracjach o najniższej energii, ale jest wynikiem symetrii we wczesnym Wszechświecie, kiedy były one w konfiguracji z fałszywym minimum?
Jeśli tak, to musi istnieć sposób na stworzenie tunelu kwantowego prowadzącego do stanu o niższej energii poprzez zmianę praw fizyki i wyeliminowanie wszystkich stanów związanych (tj. Cząstek) pól kwantowych. Jeśli próżnia kwantowa jest niestabilna w tym sensie, to gdziekolwiek nastąpi ten rozpad, rezultatem będzie zniszczenie wszystkiego we wszechświecie przez bańkę, która rozprzestrzenia się z prędkością światła. Jeśli taki sygnał do nas dotrze, my też się skończymy.
Chociaż nie wiemy, która z tych możliwości będzie prawdziwa dla naszego Wszechświata, dane po prostu gorączkowo głosują za pierwszą opcją: ciemna energia jest rzeczywiście stała. Obecnie nasze obserwacje ewolucji Wszechświata - zwłaszcza dzięki kosmicznemu mikrofalowemu promieniowaniu tła i wielkoskalowej strukturze Wszechświata - nakładają surowe ograniczenia na to, jak wiele miejsca na zmianę ciemnej energii może zmienić.
Ilya Khel