Глядя на нашу Вселенную сегодня, очень легко прийти в восторг от увиденного. Звезды на нашем ночном небе — лишь малая часть, несколько тысячи из сотен миллиардов от того, что присутствует в нашем Млечном Пути. Сам Млечный Путь — лишь одна-одинешенька галактика из триллионов присутствующих, в наблюдаемой Вселенной, которая простирается во всех направлениях примерно на 46 миллиардов световых лет. И все это началось около 13,8 миллиарда лет назад из горячего, плотного, быстрого, расширяющегося состояния, известного как Большой Взрыв.
Именно начиная с Большого Взрыва мы получаем возможность описать нашу Вселенную как полную материи и излучения и подключить известные законы физики, объясняющие современную форму космоса. Но Вселенная продолжает расширяться. Появляются новые звезды, космос эволюционирует. Каким будет его конец? Давайте спросим у науки.
Какой конец у Вселенной
Долгое время ученые, изучавшие структуру и эволюцию Вселенной, рассматривали три возможности, основанные на простой физики общей теории относительности и контексте расширения Вселенной. С одной стороны, гравитация активно собирает все вместе; это притягивающая сила, управляемая материей и энергией во всех их формах, присутствующих во Вселенной. С другой стороны, есть начальная скорость расширения, которое разделяет все на части.
Большой Взрыв стал выстрелом, после которого началась грандиознейшая гонка всех времен: между гравитацией и расширением вселенной. Кто в итоге победит? Ответ на этот вопрос определит судьбу нашего мира.
Мы думали, что у Вселенной такие варианты:
- Вселенная схлопнется в процессе Большого Сжатия. Расширение начнется быстро и большое количество материи и излучения разорвется на части. Если материи и энергии будет более чем достаточно, Вселенная расширится до определенного максимального размера, расширение обратит сжатие и Вселенная снова схлопнется.
- Вселенная будет расширяться вечно и приведет к Большому Замерзанию. Все начнется так же, как и выше, но в этот раз количества вещества и энергии будет недостаточно, чтобы противостоять расширению. Вселенная будет расширяться вечно, поскольку скорость расширения будет продолжать падать, но никогда не достигнет нуля.
- Расширение Вселенной асимптотически стремится к нулю. Представьте себе пограничную ситуацию между двумя приведенными выше примерами. Одним протоном больше — и мы схлопываемся; одним меньше — расширяемся бесконечно. В этом критическом случае Вселенная расширяется вечно, но с наименьшей возможной скоростью.
Чтобы узнать, какой вариант правильный, нам нужно было просто измерить, с какой скорость расширяется Вселенная и как скорость расширения менялась со временем. Остальное дело физики.
Это была одна из величайших задач современной астрофизики. Измерьте скорость, с которой расширялась Вселенная, и узнаете, как меняется ткань пространства сегодня. Измерьте, как изменилась скорость расширения со временем, и узнаете, как ткань пространства менялась в прошлом.
Объедините две эти части информации и то, как изменилась скорость расширения и какой она была, позволит вам определить, из чего состоит Вселенная и в каких пропорциях.
Насколько нам известно, основываясь на этих измерениях, мы определили, что Вселенная состоит за 0,01% из излучения, 0,1% — нейтрино, 4,9% — обычная материя, 27% — темная материя, 68% — темная энергия. Этот квест, который для некоторых начался еще в 1920-х годах получил неожиданный ответ в конце 1990-х.
Итак, если темная энергия доминирует в расширении Вселенной, что это значит для нашей судьбы? Все зависит от того, как — или если — темная энергия будет развиваться со временем. Вот пять вариантов.
Темная энергия — это космологическая постоянная, преобладающая в расширении. Это опция по умолчанию, учитывающая наши лучшие данные. В то время как материя становится менее плотной по мере расширения Вселенной, разбавляется по мере расширения объема, темная энергия представляет собой ненулевое количество энергии, присущее ткани самого пространства. По мере расширения Вселенной плотность темной энергии остается постоянной, что приводит к тому, что расширение всегда сохраняет положительное значение.
Это приводит к экспоненциально расширяющейся Вселенной и в конечном итоге растолкает все, что не является частью нашей локальной группы. Уже 97% видимой Вселенной становится недоступным в таких условиях.
Темная энергия динамична и становится мощнее со временем. Темная энергия, по всей видимости, является новой формой энергии, которая присуща самому пространству, из чего следует, что она имеет постоянную плотность энергии. Но она также может меняться со временем. Один из возможных способов изменения заключается в том, что она постепенно усиливается, что приведет к ускорению скорости расширения Вселенной.
Удаленные объекты не только будут удаляться от нас, но и делать это все быстрее и быстрее. Хуже того, объекты, которые сейчас связаны гравитационно — вроде скоплений галактик, отдельных галактик, солнечных систем и даже атомов — однажды развяжутся вследствие укрепления темной энергии. В последние моменты существования Вселенной субатомные частицы и сама ткань пространства-времени разорвутся на части. Эта судьба — Большой Разрыв — наш второй вариант.
Темная энергия динамична и ослабевает со временем. Как еще может измениться темная энергия? Вместо того, чтобы укрепляться, она может ослабнуть. Конечно, скорость расширения согласуется с постоянным количеством энергии, принадлежащей самому пространству, но эта плотность энергии также может снижаться.
Если она ослабеет до нуля, все придет к одной из выше описанных возможностей: Большому Замерзанию. Вселенная будет расширяться, но без достаточного количества материи и других форм энергии, которые помогут ей заново схлопнуться.
Если распад станет отрицательным, это может привести к другой возможности: Большому Сжатию. Вселенная заполнится энергией, присущей пространству, которая внезапно поменяет знаки и приведет пространство к сжатию. Такой вариант тоже возможен.
Темная энергия перейдет в другую форму энергии, омолаживающую Вселенную. Если темная энергия не распадается, а остается постоянной или даже усиливается, возникает еще одна возможность. Эта энергия, присущая ткани пространства, может не всегда оставаться в такой форме. Вместо этого она может превращаться в материю и излучение, подобные тому, что были, когда закончилась космическая инфляция и начался Большой Взрыв.
Если темная энергия останется постоянной до этой точки, она создаст очень, очень холодную и рассеянную версию раскаленного Большого Взрыва, в которой сами себя смогут создавать только нейтрино и фотоны. Но если сила темной энергии будет возрастать, это может привести к состоянию, подобному инфляции, за которым последует новый, действительно раскаленный Большой Взрыв. Это самый простой способ омолодить Вселенную с заданными параметрами.
Темная энергия связана с нулевой энергией квантового вакуума и будет распадаться, разрушая нашу Вселенную. Это самая разрушительная возможность из всех. Что, если темная энергия не является истинной величиной пустого пространства в конфигурациях с самой низкой энергией, а является результатом симметрий на ранних этапах Вселенной, когда они оказались в конфигурации с ложным минимумом?
Если это так, должен быть способ создать квантовый туннель в состояние с более низкой энергией, изменив законы физики и уничтожив все связанные состояния (то есть частицы) квантовых полей сегодня. Если квантовый вакуум нестабилен в этом смысле, то, где бы этот распад ни произошел, результатом будет разрушение всего во Вселенной посредством пузыря, распространяющегося на скорости света. Если такой сигнал достигнет нас, нам тоже придет конец.
Хотя мы не знаем, какая из этих возможностей будет верной для нашей Вселенной, данные просто неистово голосуют в пользу первого варианта: темная энергия действительно является постоянной величиной. Прямо сейчас, наши наблюдения того, как развивалась Вселенная — особенно благодаря космическому микроволновому фоновому излучению и крупномасштабной структуре Вселенной — накладывают жесткие ограничения на то, как много места для маневра остается у темной энергии, чтобы измениться.
И пока у нас не будет новой правды о Вселенной, мы будем придерживаться этой. А если вы не согласны, приглашаем поделиться в нашем чате в Телеграме.