Съдбата на Вселената: топлинна смърт, голямо разкъсване или космическо съзнание?
Последно: 19 юни 2024 г. в 10:23
С натрупването на голямо количество данни космологията все повече се приближава към разбирането на съдбата на Вселената. И аз се страхувам, че това няма да е добра новина.
Формирането на звезди ще спре и черните дупки ще погълнат всичко, и сами ще изчезнат в небитието. Може дори да се случи Голямо разкъсване. Но за тези, които нямат нищо против да почакат още 1010^50 години или приблизително толкова, нещата могат да изглеждат като поредица от странни събития.
Но преди да разгледаме случайните събития в много далечно бъдеще, нека да започнем с това, което знаем за миналото и настоящето.
Миналото
Причината, поради която можем да изучаваме еволюцията на Вселената в миналото, е това, че в някои отношения астрономията е аналогична на археологията. Очевидно, че колкото по-надалеч се взираме от нашата планета, толкова по-назад във времето виждаме Вселената.
И когато гледаме далеч в миналото, виждаме, че галактиките са били по-близо една до друга, отколкото днес. Това наблюдение в съчетание с теорията на относителността на Айнщайн означава, че Вселената е започнала с Голям взрив и оттогава се разширява.
Настоящето
В края на миналия век един от най-актуалните въпроси в съвременната космология е било измерването на скоростта на забавяне на Вселената. Отчитайки количеството маса, наблюдавано в Космоса, се смятало, че то може да е достатъчно в крайна сметка да предизвика прекратяване на разширението.
Забележително е, че две независими групи учени са стигнали до противоположния извод. Разширението на Вселената не се забавя, а се ускорява. За това важно откритие те са получили Нобелова награда за физика за 2011 година, но определянето на последствията от разширението изисква доста усилия.
Размишлявайки за ускоряващата се Вселена, може да се стигне до заключението, че трябва да има някаква материя (или поле), която пронизва Вселената и оказва отрицателно налягане (отблъскваща гравитация). Ние я наричаме тъмна енергия.
Това може звучи малко пресилено, но са проведени независими експерименти, за да се потвърди ускорението на Вселената и съществуването на тъмната енергия.
От 2006 година аз бях въвлечен в WiggleZ Dark Energy Survey – научен експеримент, провеждан с цел потвърждение на ускорението. Ние не само открихме, че има ускорение, но и представихме убедително доказателство, че причината за това е тъмната енергия. Забелязахме, че тъмната енергия забавя ръста на масивните галактични свръхкупове.
Темповете на ръст на такива свръхкупове като Дева представляват убедителни доказателства в ползата на съществуването на тъмната енергия. Andrew Z. Colvin/Wikimedia
Затова смятаме, че тъмната енергия е реална. Ако концепцията за тъмна енергия и отблъскващата сила на гравитацията изглежда прекалено странна, то единствената алтернатива е да изменим теорията на гравитацията. Във всеки случай ни е нужна нова физика, за да го обясним.
Бъдещето
Преди да преминем към много далечното бъдеще, ще спомена друго важно изследване – GAMA. Ние открихме, че Вселената бавно „умира“. С други думи, пикът на епохата на формиране на звездите е останал далече зад нас и Вселената вече гасне.
Близкото бъдеще може да се предскаже с голяма доза вероятност. След пет милиарда години Слънцето ще встъпи в стадий червен гигант. Потискащо, но след още два милиарда години то ще погълне Земята.
След това относителната сила на тъмната енергия и нейното изменение с течение на времето ще станат важни. Колкото по-силна и бърза е силата на отблъскване на тъмната енергия, толкова по-голяма е вероятността във Вселената да настъпи Голямо разкъсване.
Грубо казано, Голямо разкъсване е това, което се случва, когато силата на отблъскване на тъмната енергия е в състояние да преодолее гравитацията (и всичко останало). Телата, свързани гравитационно (например нашия местен свръхкуп, нашия Млечен път, нашата Слънчева система и в крайна сметка – самите ние), ще се разкъсат и всичко, което ще остане, вероятно ще са самотни петна вакуум.
Данните от WiggleZ и други експерименти не изключват Голямо разкъсване, но го отнасят към изключително далечното бъдеще (ако то изобщо се случи).
Малко по-реална се явява възможността за Топлинна смърт на Вселената. Тъй като нашата Вселена продължава да се разширява, ние никога вече няма да можем да наблюдаваме галактиките извън пределите на нашата локална група.
Формирането на звезди ще спре след около 1-100 трилиона години, тъй като газът, необходим за това, ще бъде изчерпан. Ще има някакви звезди наоколо, те ще съществуват около 120 трилиона години. Всичко, което остане, ще са звездни остатъци – черни дупки, неутронни звезди и бели джуджета.
След около 100 квинтилиона (1020) години, смятано отсега, повечето от тези обекти ще бъдат погълнати от свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките.
По такъв начин Вселената ще стане по-тъмна и по-тиха. Какво ще се случи по-нататък, зависи от това, колко бързо ще се разпада Вселената. Смята се, че протоните, които съставят атомите заедно с неутроните и електроните, спонтанно се разпадат в субатомни частици след достатъчно дълго време. Изчезването на обичайната материя ще настъпи след 1040 години. Ще останат само черните дупки. И дори те ще се изпарят след около 10100 години.
В този момент Вселената ще бъде почти вакуум. Частиците, които останат, като електрони и леки частици (фотони), ще се намират на големи разстояния една от друга поради разширението на Вселената и рядко (ако изобщо) ще взаимодействат. Това е истинската смърт на Вселената, наречена Топлинна смърт.
Идеята идва от втория закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията – мярка за безпорядъка или броя варианти на организация на системата – винаги нараства.
Всяка система, включително Вселената, в крайна сметка встъпва в състояние на максимален безпорядък – точно както бучка захар винаги ще се разтваря в чаша чай, но ще бъде необходимо безумно много време, за да се върне на случаен принцип в подредената структура на куб.
Когато цялата енергия в Космоса е разпространена равномерно, то вече няма топлина или свободна енергия за процесите, които изискват енергия – такива като живота.
Болцманови мозъци и нови Големи взривове
Всичко казано изглежда много мрачно, меко казано. Затова ще завърша тази статия със силно спекулативна, вероятно погрешна, напълно неподлежаща на проверка, но по-позитивна нотка.
Подозрително? Далечното бъдеще на Вселената може да е доста странно. AK Rockefeller/Flickr
Според странните правила на квантовата механика случайни неща може да изскочат от вакуума. И това не е просто математическа приумица – наличието на частици внезапно ще доведе до съществуване, а след това отново до изчезване, което постоянно се наблюдава във физически експерименти с частици.
И все пак няма никакви причини така наречените квантови флуктуации да не могат да доведат до образуването на цял атом.
Дори има спекулации, че може да възникне вселенски „мозък“, наречен Болцманов мозък. Какъв е срокът такова нещо да се появи? Е, това е изчислено – 1010^50 години.
А нов Голям взрив? Някъде след 1010^10^56 години.
Кевин Пимблет, старши преподавател по физика в университета на Хъл.
