Все, что мы знаем, восходит к Большому взрыву, а до него - к космической инфляции. Но что, если мы заглянем в будущее?
Глядя сегодня на Вселенную, легко прийти в трепет от всего, что мы можем найти. Звезды на нашем ночном небе - это всего лишь крошечная часть - несколько тысяч из сотен миллиардов - того, что присутствует в нашем Млечном Пути. Сам Млечный Путь - всего лишь одна одинокая галактика из триллионов наблюдаемой Вселенной, которая простирается во всех направлениях примерно на 46 миллиардов световых лет.
И все началось около 13,8 миллиардов лет назад из горячего, плотного, быстро расширяющегося состояния, известного как Большой Взрыв. Это первый момент, когда мы можем описать нашу Вселенную как наполненную материей и излучением, и выход из этого состояния с учетом известных законов физики позволяет нам объяснить, как космос принял свою современную форму. Но все это все еще расширяется, образует новые звезды и развивается. Как это закончится? Вот что говорит наука.
Долгое время ученые, изучавшие структуру и эволюцию Вселенной, рассматривали три возможности, основанные на простой физике общей теории относительности и контексте расширяющейся Вселенной. С одной стороны, гравитация стягивает все воедино; это сила притяжения, управляемая материей и энергией во всех их формах, присутствующих во Вселенной. С другой стороны, есть начальная скорость расширения, работающая на то, чтобы разбить все на части.
Большой взрыв знаменует начало величайшей гонки всех времен: между гравитацией и скоростью расширения. Кто из них в конечном итоге победит в нашей Вселенной? Согласно классическим рассуждениям, ответ на этот вопрос должен определить судьбу нашей Вселенной.
Вот какие, по нашему мнению, возможности были:
- Вселенная вновь сжимается в Большом сжатии Расширение начинается быстро, и большое количество материи и излучения работают, чтобы вернуть все назад вместе. Если материи и энергии будет более чем достаточно, Вселенная расширится до некоторого максимального размера, расширение обратится в сжатие, и Вселенная снова сожмется.
- Вселенная расширяется навсегда, что приводит к Большому Замораживанию Все начинается так же, как и выше, только на этот раз количество материи -и-энергии недостаточно, чтобы противодействовать расширению. Вселенная продолжает расширяться вечно, поскольку скорость расширения продолжает падать, но никогда не достигает нуля.
- Асимптоты расширения Вселенной стремятся к нулю Представьте себе пограничную ситуацию между двумя приведенными выше примерами. Если бы был еще один протон, мы бы снова коллапсировали; на один меньше, и мы расширимся навсегда. В этом критическом (или Златовласки) случае Вселенная расширяется вечно, но с максимально возможной скоростью.
Чтобы узнать, какой из них был верным, все, что нам нужно было сделать, это измерить скорость расширения Вселенной и то, как эта скорость расширения менялась с течением времени. Остальное определит физика.
Это был один из величайших поисков современной астрофизики. Измерьте скорость, с которой расширялась Вселенная, и вы узнаете, как сегодня меняется ткань пространства. Измерьте, как скорость расширения менялась с течением времени, и вы узнаете, как менялась ткань пространства в прошлом.
Соедините эти две части информации, и то, как изменилась скорость расширения, позволит вам определить, из чего состоит Вселенная и в каких соотношениях.
Насколько нам известно, исходя из этих измерений, мы определили, что Вселенная состоит примерно из 0.01 % излучения, 0,1 % нейтрино, 4,9 % нормальной материи, 27 % темной материи и 68 % темной энергии. Этот поиск, начавшийся для некоторых 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 темная энергия эволюционирует со временем. Вот пять возможностей.
1.) Темная энергия является космологической постоянной, в которой преобладает расширение Это опция по умолчанию, учитывая лучшие данные, которые мы имеем сегодня. В то время как материя становится менее плотной по мере расширения Вселенной, разжижаясь по мере расширения объема, темная энергия представляет собой ненулевое количество энергии, присущее самой ткани пространства. По мере расширения Вселенной плотность темной энергии остается постоянной, в результате чего скорость расширения асимптотируется не до нуля, а до положительного значения.
Это приводит к экспоненциально расширяющейся Вселенной и в конечном итоге оттолкнет все, что не является частью нашей локальной группы. Уже сейчас 97% видимой Вселенной недостижимо в этих условиях.
2.) Темная энергия динамична и со временем становится все более мощной Темная энергия, по-видимому, является новой формой энергии, присущей к самому пространству, подразумевая, что оно имеет постоянную плотность энергии. Но он также может меняться со временем. Один из возможных способов ее изменения заключается в том, что ее величина может увеличиваться, что приведет к ускорению скорости расширения Вселенной с течением времени.
Мало того, что более отдаленные объекты будут удаляться от нас с ускорением, они будут делать это с возрастающей скоростью. Хуже того, объекты, которые сегодня гравитационно связаны , такие как скопления галактик, отдельные галактики, Солнечная система и даже атомы , когда-нибудь станут несвязанными по мере усиления темной энергии. В последние мгновения Вселенной субатомные частицы и сама ткань пространства разорвутся на части. Эта судьба «Большого разрыва» - вторая возможность.
3.) Темная энергия динамична и со временем распадается Как еще может измениться темная энергия? Вместо усиления оно может ослабнуть. Конечно, скорость расширения согласуется с постоянным количеством энергии, принадлежащей самому пространству, но эта плотность энергии тоже может падать.
Если он упадет до нуля, это может привести к одной из первоначальных возможностей, описанных выше: Большой Заморозке. Вселенная по-прежнему будет расширяться, но без достаточного количества материи и других форм энергии для повторного коллапса.
Если же он распадается и становится отрицательным, это может привести к другой возможности: Большому Сжатию. Вселенная могла быть наполнена энергией, присущей пространству, которая внезапно меняла знаки и вызывала повторное коллапс пространства. Хотя временная шкала этих изменений намного больше времени, прошедшего после Большого взрыва, они все же могут произойти.
4.) Темная энергия может перейти в другую форму энергии, омолодив Вселенную Если темная энергия не распадается, а вместо этого остается постоянным или даже усиливается, возникает еще одна возможность. Эта энергия, присущая сегодня космической ткани, не может оставаться в таком виде вечно. Вместо этого он мог бы превратиться в материю и излучение, подобно тому, что произошло, когда закончилась космическая инфляция и начался горячий Большой Взрыв.
Если темная энергия останется неизменной до этого момента, она создаст очень, очень холодную и рассеянную версию горячего Большого взрыва, при которой только нейтрино и фотоны могут самовоспроизводиться. Но если темная энергия увеличится в силе, это может привести к состоянию, похожему на инфляцию, за которым снова последует новый, действительно горячий Большой взрыв. Это самый простой способ омолодить Вселенную и создать циклический набор параметров, при котором вновь созданная Вселенная получает еще один шанс вести себя так же, как наша.
5.) Темная энергия связана с нулевой энергией квантового вакуума и будет распадаться, разрушая известную нам ВселеннуюЭто самая разрушительная возможность из всех. Что, если темная энергия не является истинным значением пустого пространства в конфигурации с самой низкой энергией, а является результатом того, что симметрии на ранней стадии Вселенной нарушили конфигурацию ложного минимума?
Если это так, у него есть способ квантово-туннелировать в состояние с более низкой энергией, изменяя законы физики и разрушая все связанные состояния (то есть частицы) квантовых полей сегодня. Если квантовый вакуум нестабилен именно таким образом, где бы этот распад ни происходил, он приведет к разрушению всего во Вселенной в пузыре, который расширяется наружу со скоростью света. Если бы такой сигнал когда-нибудь дошел до нас, он также сопровождался бы нашим мгновенным уничтожением.
Хотя мы не знаем, какая из этих возможностей верна для нашей Вселенной, данные невероятно согласуются с первым вариантом: темная энергия действительно является константой. Прямо сейчас наши наблюдения за тем, как Вселенная эволюционировала - в частности из-за космического микроволнового фонового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной - , накладывают жесткие ограничения на то, сколько пространства для маневра есть для изменения темной энергии.
С приближающимся появлением флагманской астрофизической миссии НАСА 2020-х годов, WFIRST, мы готовы сократить это пространство для маневра, возможно, еще в 10 раз или около того. Если темная энергия предложит какие-либо признаки того, что наша судьба будет отличаться от той, которую мы предвидим сегодня, эта обсерватория будет иметь наилучшие шансы научно раскрыть эту новую правду о нашей Вселенной. До тех пор все, что у нас есть, - это возможности, которые мы знаем, чтобы рассмотреть. Остальное зависит от науки.