Nic nie jest wieczne. Oczywiście nasz wszechświat też umrze. Plotka głosi, że będzie to wieczna ekspansja, a na końcu śmierć z entropii. Wszechświat się rozszerza, a entropia rośnie i będzie rosła, dopóki wszystko, co kochamy, nie umrze. Ale to jest sentyment, a my jesteśmy naukowcami, więc zastanawiamy się, jak będzie wyglądał koniec wszechświata? Co będzie mu towarzyszyło? Nie, cóż, ciekawy.
Na nocnym niebie nie będzie już gwiazd
Za 150 miliardów lat nocne niebo na Ziemi będzie wyglądać zupełnie inaczej. W miarę jak wszechświat zmierza ku śmierci termicznej, przestrzeń rozszerza się szybciej niż prędkość światła. Wiemy, że prędkość światła jest sztywnym ogranicznikiem prędkości dla wszystkich obiektów we wszechświecie. Ale dotyczy to tylko obiektów znajdujących się w przestrzeni, a nie samej struktury czasoprzestrzeni. Trudno to rozgryźć w locie, ale struktura czasoprzestrzeni już teraz rozszerza się szybciej niż prędkość światła. A w przyszłości pociągnie to za sobą dziwne konsekwencje.
Ponieważ sama przestrzeń rozszerza się szybciej niż światło, istnieje kosmologiczny horyzont. Każdy obiekt, który znajdzie się poza tym horyzontem, będzie wymagał od nas obserwacji i rejestrowania danych na jego temat za pomocą cząstek poruszających się szybciej niż światło. Ale takich cząstek nie ma. Gdy tylko przedmioty opuszczą kosmologiczny horyzont, stają się dla nas niedostępne. Wszelkie próby kontaktu lub interakcji z odległymi galaktykami poza tym horyzontem będą wymagały od nas technologii, która może poruszać się szybciej niż sama ekspansja kosmosu. Jak dotąd tylko kilka obiektów znajduje się poza naszym kosmologicznym horyzontem. Ale gdy ciemna energia przyspiesza ekspansję, wszystko ostatecznie znajdzie się poza zasięgiem naszych oczu.
Co to oznacza dla Ziemi? Wyobraź sobie, że patrzysz w nocne niebo za 150 miliardów lat. Jedyne, co będzie widoczne, to kilka gwiazd, które pozostają w kosmologicznym horyzoncie. W końcu też odejdą. Nocne niebo będzie całkowicie czyste, jak tabula rasa. Astronomowie przyszłości nie będą w stanie udowodnić, że we wszechświecie istnieje inny obiekt. Wszystkie gwiazdy i galaktyki, które teraz widzimy, znikną. Dla nas w całym Wszechświecie pozostanie tylko Układ Słoneczny. To prawda, że Ziemia raczej nie sprosta temu, ale więcej na ten temat poniżej.
Film promocyjny:
Życie po śmierci Słońca nie zniknie
Wszyscy wiedzą, że gwiazdy nie trwają wiecznie. Ich żywotność rozpoczyna się wraz z ich formowaniem się, trwa przez całą fazę ciągu głównego (która odpowiada za większość życia gwiazdy), a kończy się wraz ze śmiercią gwiazdy. W większości przypadków gwiazdy puchną kilkaset razy w stosunku do swoich normalnych rozmiarów, kończąc fazę ciągu głównego, a tym samym pochłaniają wszystkie planety, które się do nich zbliżą.
Jednak w przypadku planet, które krążą wokół gwiazdy z dużych odległości (poza „linią zamarzania” układu), te nowe warunki mogą w rzeczywistości stać się wystarczająco ciepłe, aby utrzymać życie. Według ostatnich badań przeprowadzonych przez Carl Sagan Institute na Cornell University, ta sytuacja w niektórych systemach gwiezdnych może trwać miliardy lat i doprowadzić do pojawienia się zupełnie nowych form życia pozaziemskiego.
Za około 5,4 miliarda lat nasze Słońce wyjdzie z fazy ciągu głównego. Po wyczerpaniu paliwa wodorowego w rdzeniu, popioły obojętnego helu, które będą się tam gromadzić, staną się niestabilne i zapadną się pod wpływem własnego ciężaru. Doprowadzi to do tego, że jądro się nagrzeje i zagęści, co z kolei doprowadzi do wzrostu rozmiarów Słońca - gwiazda wejdzie w fazę „gałęzi czerwonych olbrzymów”.
Okres ten rozpocznie się, gdy nasze Słońce stanie się podolbrzymem i powoli podwoi się w ciągu około półtora miliarda lat. Będzie rozwijał się szybciej przez następne pół miliarda lat, aż osiągnie 200-krotność obecnego rozmiaru i kilka tysięcy razy jaśniejszy. Wtedy oficjalnie stanie się czerwonym olbrzymem, a jego średnica wyniesie około 2 jednostki AU. e. - Słońce wyjdzie poza obecną orbitę Marsa.
Oczywiście Ziemia nie przetrwa pojawienia się czerwonego olbrzyma w Układzie Słonecznym, takiego jak Merkury, Wenus czy Mars. Ale poza linią zamarzania, gdzie jest wystarczająco zimno, aby lotne związki - woda, amoniak, metan, dwutlenek węgla i tlenek węgla - pozostały zamarznięte, pozostaną gazowe giganty, lodowe olbrzymy i planety karłowate. I rozpocznie się całkowita odwilż.
Krótko mówiąc, kiedy gwiazda się rozszerza, jej „ekosfera” zrobi to samo, obejmując orbity Jowisza i Saturna. W takim przypadku miejsce wcześniej niezamieszkane - jak księżyce Jowisza i Saturna - może nagle stać się mieszkalne. To samo dotyczy wielu innych gwiazd we Wszechświecie, które w miarę dorastania i umierania staną się czerwonymi olbrzymami.
Kiedy nasze Słońce osiągnie czerwoną fazę gigantycznej gałęzi, będzie miało tylko 120 milionów lat aktywnego życia. Ten czas nie wystarczy, aby pojawiły się i rozwinęły nowe formy życia, które mogą stać się naprawdę złożone (jak ludzie i inne gatunki ssaków). Jednak według badań opublikowanych niedawno w The Astrophysical Journal, niektóre planety w pobliżu innych czerwonych olbrzymów w naszym Wszechświecie mogą pozostać zamieszkane znacznie dłużej - w niektórych przypadkach nawet do dziewięciu miliardów lat lub dłużej.
Abyście zrozumieli, dziewięć miliardów lat to dwa razy więcej niż obecny wiek Ziemi. Zakładając, że interesujące nas światy będą miały odpowiedni skład elementów, będą miały wystarczająco dużo czasu, aby zapoczątkować nowe złożone formy życia. Główny autor badania, profesor Lisa Kaltenneger, jest również dyrektorem Instytutu Carla Sagana. Wie z pierwszej ręki, jak szukać życia we Wszechświecie:
„Gdy gwiazda starzeje się i staje się jaśniejsza, ekosfera przesuwa się na zewnątrz i zasadniczo widzisz drugie życie dla układu planetarnego. Obecnie obiekty w zewnętrznych regionach są zamrożone w naszym Układzie Słonecznym, takie jak Europa i Enceladus, księżyce Jowisza i Saturna. Po tym, jak nasze żółte Słońce rozszerzy się na tyle, by stać się czerwonym olbrzymem i zamienić Ziemię w spaloną pustynię, w naszym Układzie Słonecznym - a także w innych systemach - nadal będą istnieć regiony, w których życie mogłoby kwitnąć."
Gdy gwiazda się rozszerza, traci masę i wypycha ją na zewnątrz w postaci wiatru słonecznego. Planety krążące blisko gwiazdy lub mające niską grawitację powierzchniową mogą utracić swoją atmosferę. Z drugiej strony planety o wystarczającej masie (lub znajdujące się w bezpiecznej odległości) mogą zachować tę atmosferę. W kontekście naszego Układu Słonecznego oznacza to, że za kilka miliardów lat światy takie jak Europa i Enceladus (które mogą już mieć życie czające się pod lodowymi skorupami) mogą stać się rajem na całe życie.
Nasze Słońce stanie się czarnym karłem
W tej chwili nasz wszechświat ma wiele różnych typów gwiazd. Do najczęściej występujących należą czerwone karły - chłodne gwiazdy emitujące czerwone światło. We wszechświecie jest również wiele białych karłów. Są to gwiezdne pozostałości martwych gwiazd, złożone ze zdegenerowanej materii utrzymywanej razem przez efekty kwantowe. Obecnie astronomowie uważają, że białe karły mają prawie nieskończoną długość życia. Ale po pewnym czasie nawet one umrą i staną się egzotycznymi gwiazdami: czarnymi karłami.
Taki los czeka także nasze Słońce. W odległej przyszłości nasze Słońce wyrzuci swoje zewnętrzne warstwy i zamieni się w białego karła, który pozostanie tam przez miliardy lat. Ale pewnego dnia nawet białe karły zaczną się ochładzać. Po 10 (do potęgi 100) lat ostygną do temperatury równej temperaturze mikrofalowego promieniowania tła, kilka stopni powyżej zera bezwzględnego.
Kiedy to się stanie, nasza gwiazda stanie się czarnym karłem. Ponieważ tego typu gwiazdy są tak zimne, będą niewidoczne dla ludzkiego oka. Dla każdego, kto spróbuje znaleźć Słońce, które dało nam życie, nie da się tego zrobić za pomocą systemów optycznych. Będzie musiał szukać tego za pomocą efektów grawitacyjnych. Większość gwiazd, które widzimy na nocnym niebie, stanie się czarnymi karłami (kolejny powód, dla którego nocne niebo stanie się czyste). Ale dla naszego ciepłego Słońca jest to szczególnie obraźliwe.
Dziwne gwiazdy
Zanim nasze Słońce stanie się czarnym karłem, gwiezdna ewolucja jest już zakończona. Nie narodzą się nowe gwiazdy. Zamiast tego wszechświat zostanie zalany zimnymi pozostałościami gwiazd. A to pozwoli Wszechświatowi zacząć tworzyć dziwne gwiazdy, które znacznie różnią się od tego, co znamy.
Jedną z nich jest mroźna lub zimna gwiazda. Kiedy gwiazdy we Wszechświecie spalają swoje paliwo jądrowe, zwiększają swoją metaliczność. W astronomii jest to miara pierwiastków w gwieździe cięższych od helu - praktycznie wszystkich pierwiastków, począwszy od litu. Wraz ze wzrostem metaliczności gwiazdy stają się one zimniejsze, ponieważ cięższe pierwiastki uwalniają mniej energii podczas fuzji. Wreszcie gwiazdy staną się tak zimne, że osiągną temperaturę 0 stopni, czyli punkt zamarzania wody.
Jeśli spojrzysz jeszcze dalej w przyszłość, pojawi się jeszcze dziwniejsza gwiazda. Za około 10 (do potęgi 1500) lat w przyszłości entropia zbierze swoje żniwo, a wszechświat będzie zasadniczo martwy. W tych zimnych czasach efekty kwantowe będą rządzić wszechświatem.
Tunelowanie kwantowe pozwoli na syntezę lekkich pierwiastków w niestabilną formę żelaza. To z kolei rozpadnie się na bardziej stabilny izotop, emitując niewielką ilość energii. Te żelazne gwiazdy będą w tej chwili jedynym możliwym kształtem gwiazdy. Ale można je znaleźć tylko w modelach, w których astronomowie nie wierzą w rozpad protonów, więc ten pomysł nie jest najpopularniejszy.
Wszystkie nukleony rozpadną się
Cofnijmy się z punktu 10 (do potęgi 15) lat po Wielkim Wybuchu do punktu 10 (do potęgi 34) lat. Jeśli rasa ludzka nie umrze do tego czasu, z pewnością nie przeżyjemy tej epoki. Jak wspomniano powyżej, astronomowie nieustannie spierają się, czy proton ulegnie rozpadowi do końca czasu. Powiedzmy tak.
Nukleony to cząstki w jądrze atomu, protony i neutrony. Wiadomo, że wolne neutrony rozpadają się z okresem półtrwania wynoszącym 10 minut. Ale protony są niesamowicie stabilne. Nikt nie widział na własne oczy rozpadu protonu. Ale pod koniec wszechświata wszystko się zmieni.
Fizycy zakładają, że okres półtrwania protonu wynosi 10 (do potęgi 37) lat. Nie widzieliśmy tego rozpadu, ponieważ wszechświat nie jest jeszcze wystarczająco stary. W epoce rozpadu (10 (do potęgi 34) - 10 (do potęgi 40) lat) protony zaczną wreszcie rozpadać się na pozytony i piony. Pod koniec epoki rozpadu wyczerpią się wszystkie protony i neutrony we Wszechświecie.
Oczywiście życie we Wszechświecie zacznie mieć problemy. Jeśli przyjmiemy, że rasa ludzka przeżyła przemianę Słońca i wyemigrowała do bardziej przyjaznych części Wszechświata, w pewnym momencie prawa fizyki zaczną dyktować śmierć ludzkości. Nasze ciała i wszystkie obiekty międzygwiazdowe są zbudowane z nukleonów. Kiedy się rozpadną, życie się skończy, ponieważ same atomy przestaną istnieć. Życie nie będzie mogło dalej istnieć w takich warunkach (iw takiej formie), a Wszechświat pogrąży się w erze czarnych dziur.
Czarne dziury zaleją wszechświat
Kiedy nukleony znikną, czarne dziury wejdą w życie i będą rządzić wszechświatem od 10 (do potęgi 40) lat po Wielkim Wybuchu do 10 (do potęgi 100) lat. Od tego momentu zaczynamy mówić o czasach tak długich, że zrozumienie ich umysłem jest absolutnie niemożliwe. Po czasie znacznie dłuższym niż obecny wiek Wszechświata, jedynymi strukturami pozostaną czarne dziury.
Kiedy nukleony odejdą, głównymi cząstkami subatomowymi będą leptony - elektrony i pozytony. Będą napędzać czarne dziury. Absorbując pozostałości materii we Wszechświecie, same czarne dziury będą emitować cząsteczki, które wypełnią Wszechświat fotonami i hipotetycznymi grawitonami. Ale czarne dziury są skazane na śmierć, jak zdecydował Stephen Hawking.
Według Hawkinga czarne dziury wyparowują pod wpływem promieniowania. Kiedy promieniują, tracą masę w postaci energii. Ten proces trwa długo, więc praktycznie nic o nim nie wiemy. Całkowite wyparowanie czarnej dziury zajmuje 10 (do potęgi 60) lat, więc proces ten nie dobiegł jeszcze końca od wieku naszego Wszechświata. Ale, jak powiedzieliśmy, czarne dziury w końcu też umrą. Z nich pozostaną tylko bezmasowe cząsteczki i kilka rozproszonych leptonów, które będą leniwie oddziaływać i tracić energię.
Pojawi się atom nowego typu
Ponieważ z naszego wszechświata pozostało tylko kilka cząstek subatomowych, może się wydawać, że nie ma już o czym mówić. Ale życie może pojawić się nawet w tym najgorszym ze światów.
Od wielu lat badacze cząstek rozmawiają o pozytronium, atomowym wiązaniu między pozytonem a elektronem. Te dwie cząstki mają przeciwne ładunki. (Pozyton jest antycząstką elektronu). Dlatego będą przyciągane elektromagnetycznie. Kiedy para takich cząstek zaczyna oddziaływać, mogą mieć szczątkowe orbity i zachowanie atomowe.
Ponieważ pozytron będzie rzadki, tego modelu "chemii" pozytronu nie można nazwać kompletnym. Ale z tych dziwnych „atomów” mogą powstać bardzo ciekawe rzeczy. Po pierwsze, mogą istnieć na gigantycznych orbitach pokrywających przestrzeń międzygwiazdową. Dopóki dwie cząsteczki oddziałują na siebie, będą w stanie utrzymać parę niezależnie od odległości.
W erze czarnych dziur, niektóre z tych „atomów” będą miały średnicę obejmującą odległości większe niż nasz obecny obserwowalny wszechświat. Atomy pozytonu złożone z leptonów przetrwają rozpad protonu i przejdą przez erę czarnych dziur. Ponadto czarne dziury w procesie promieniowania będą tworzyć atomy pozytronu. Po pewnym czasie pary pozyton-elektron również ulegną rozpadowi. Ale wcześniej Wszechświat może narodzić się całkowicie nie do opisania.
Wszystko zwolni, nawet sama myśl
Kiedy era czarnych dziur dobiegnie końca i nawet te gwiezdne olbrzymy znikną w ciemności, w naszym wszechświecie pozostanie tylko kilka rzeczy, głównie rozproszone cząstki subatomowe i pozostałe atomy pozytonu. Potem wszystko we Wszechświecie będzie się działo niezwykle powoli, każde wydarzenie może trwać przez eony. Według niektórych fizyków teoretycznych, takich jak Freeman Dyson, w tym czasie we wszechświecie może pojawić się życie.
Po długim, długim czasie organiczna ewolucja może zacząć się rozwijać z pozytonu. Stworzenia, które się pojawią, będą bardzo różne od wszystkiego, co znamy. Na przykład mogą być ogromne, rozciągające się na odległości międzygwiazdowe. Ponieważ we Wszechświecie nie zostało już nic, będą mieli gdzie się zwrócić. Ale ponieważ te formy życia będą ogromne, będą myśleć znacznie wolniej niż my. W rzeczywistości stworzenie jednej myśli może zająć takiemu stworzeniu tryliony lat.
Może się to nam wydawać dziwne, ale ponieważ te stworzenia będą istnieć w ogromnych odstępach czasu, taka myśl będzie dla nich natychmiastowa. Będą istnieć niesamowicie długo, obserwując przelatujący obok Wszechświat. Ale zapadną w zapomnienie.
Koniec „makrofizyki”
W tym czasie Wszechświat osiągnie prawie maksymalny stan entropii, to znaczy stanie się jednorodnym polem energii i kilkoma cząstkami subatomowymi. Nastąpi to po epoce czarnych dziur, znacznie później po 10 (do potęgi 100) lat. Przestrzeń rozszerzy się tak bardzo, a ciemna energia stanie się tak potężna, że nawet czarne dziury przestaną istnieć, a wszechświat straci masywne obiekty.
Trudno sobie wyobrazić taki wszechświat. Pomyśl tylko: gwiazdy przestaną się formować, ponieważ subatomowe cząstki tworzące materię zostaną oddzielone na takie odległości, że nie mogą się w żaden sposób spotkać, podróżując z prędkością światła. Nie mogą pojawić się nawet atomy pozytonu.
Fizyka się skończy. Jedynym modelem fizycznym, który będzie nadal działał, będzie mechanika kwantowa. Efekty kwantowe wystąpią nawet na dużych odległościach międzygwiazdowych, w gigantycznych ramach czasowych. Ostatecznie temperatura wszechświata spadnie do zera absolutnego: nie będzie już energii, która mogłaby zostać przekształcona w pracę. W niektórych modelach ekspansja przestrzeni będzie rosła, rozrywając czasoprzestrzeń. Wszechświat przestanie istnieć.
Czy można uciec od tego wszystkiego?
Do tej pory naszej podróży na koniec wszechświata towarzyszyły jedynie mroczne i przygnębiające wydarzenia. Ale fizycy nie tracą optymizmu i szkicują możliwe sposoby przetrwania przez ludzkość czasów ostatecznych, a nawet ponownego uruchomienia naszego wszechświata.
Najbardziej obiecującym sposobem ucieczki z naszego wszechświata z maksymalną entropią jest wykorzystywanie czarnych dziur do momentu, gdy rozpad fotonów uniemożliwi życie. Czarne dziury pozostają bardzo tajemniczymi obiektami, ale teoretycy proponują wykorzystanie ich do wkroczenia do nowych wszechświatów.
Nowoczesna teoria sugeruje, że wszechświaty bąbelkowe nieustannie rodzą się w naszym własnym wszechświecie, tworząc nowe wszechświaty z materią i możliwością życia. Hawking uważa, że czarne dziury mogą być bramą do tych nowych wszechświatów. Ale jest jeden problem. Po przekroczeniu granicy czarnej dziury nie ma już odwrotu. Dlatego jeśli ludzkość zdecyduje się udać się do czarnej dziury, będzie to podróż w jedną stronę.
Najpierw musisz znaleźć wirującą czarną dziurę wystarczająco masywną, aby przetrwać podróż po horyzoncie zdarzeń. Wbrew powszechnemu przekonaniu, podróżowanie przez masywne czarne dziury jest bezpieczniejsze. Kosmiczni podróżnicy przyszłości mogą mieć nadzieję, że wyprawa nie zakończy się źle, ale nie będą mogli skontaktować się ze znajomymi po tej stronie czarnej dziury i poinformować ich o wyniku. Każda jazda będzie skokiem wiary.
Jest jednak sposób, aby upewnić się, że po drugiej stronie czeka na nas nowy wszechświat. Według Alana Gutha nowonarodzony Wszechświat potrzebuje tylko 10 (do potęgi 89) protonów, 10 (do potęgi 89) elektronów, 10 (do potęgi 89) pozytonów, 10 (do potęgi 89) neutrin, 10 (do potęgi 89) antyneutrin, 10 (do potęgi 79) protonów i 10 (do potęgi 79) neutronów na start. Może się wydawać, że dużo, ale w sumie to nic więcej niż cegła.
Ludzie przyszłości mogą wytworzyć fałszywą próżnię - obszar przestrzeni z potencjałem ekspansji - za pomocą super silnego pola grawitacyjnego. W odległej przyszłości ludzie mogliby nabyć technologię do tworzenia fałszywej próżni i zapoczątkowania własnego wszechświata. Ponieważ początkowa inflacja wszechświata trwa ułamek sekundy, nowy wszechświat natychmiast się rozszerzy i stanie się nowym domem dla ludzi. Szybki skok przez tunel czasoprzestrzenny i jesteśmy uratowani.
Losowe tunelowanie kwantowe może zrestartować wszechświat
Co się stanie z wszechświatem, który zostawiliśmy? Po pewnym czasie osiągnie w końcu swoją maksymalną entropię i stanie się całkowicie niezdatny do zamieszkania. Ale nawet w tym martwym wszechświecie życie będzie miało szansę. Badacze mechaniki kwantowej są świadomi skutków tunelowania kwantowego. To wtedy cząstka subatomowa może wejść w stan energetyczny, który jest niemożliwy klasycznie.
Na przykład w mechanice klasycznej piłka nie może spontanicznie podnieść się i przetoczyć pod górę. To jest zakazany stan energetyczny. Cząsteczki elementarne również zakazały stanów energetycznych z punktu widzenia mechaniki klasycznej, ale mechanika kwantowa wywraca wszystko do góry nogami. Niektóre cząstki mogą „tunelować” do tych stanów energetycznych.
Ten proces już zachodzi w gwiazdach. Ale kiedy zastosujemy się do końca wszechświata, pojawia się dziwna możliwość. Cząstki w klasycznej mechanice statystycznej nie mogą przejść z wyższego stanu entropii do niższego. Ale dzięki tunelowaniu kwantowemu mogą i będą. Fizycy Sean Carroll i Jennifer Chen zaproponowali pomysł, że po pewnym czasie tunelowanie kwantowe może spontanicznie zmniejszyć entropię w martwym wszechświecie, doprowadzić do nowego Wielkiego Wybuchu i ponownie uruchomić wszechświat. Ale nie wstrzymuj oddechu. Aby nastąpił spontaniczny spadek entropii, trzeba czekać 10 (do potęgi 10) ^ (do potęgi 10) ^ (do potęgi 56) lat.
Jest jeszcze jedna teoria, która daje nam nadzieję na nowy wszechświat - tym razem od matematyków. W 1890 roku Henri Poincaré opublikował swoje twierdzenie o powtarzaniu, zgodnie z którym po niewiarygodnie długim czasie wszystkie układy powracają do stanu bardzo zbliżonego do pierwotnego. Dotyczy to również termodynamiki, w której przypadkowe fluktuacje termiczne we wszechświecie o dużej entropii mogą spowodować powrót do pierwotnego stanu, po czym wszystko zacznie się od nowa. Czas minie, a wszechświat może się ponownie uformować, a istoty, które będą w nim żyć, nie będą miały najmniejszego pojęcia, że żyją w naszym wszechświecie.
ILYA KHEL
