Při pohledu na náš vesmír dnes je velmi snadné být potěšen tím, co vidíte. Hvězdy na naší noční obloze jsou jen malým zlomkem, několik tisíc ze stovek miliard toho, co je přítomno v naší Mléčné dráze. Samotná Mléčná dráha je jen jednou z bilionů galaxií přítomných ve pozorovatelném vesmíru, který se rozprostírá ve všech směrech asi 46 miliard světelných let. Všechno to začalo asi před 13,8 miliardami let z horkého, hustého, rychlého a expandujícího státu známého jako Velký třesk.
Právě z Velkého třesku dostáváme příležitost popsat náš vesmír jako plný hmoty a záření a propojit známé fyzikální zákony vysvětlující moderní podobu vesmíru. Ale vesmír se stále rozšiřuje. Objevují se nové hvězdy, vyvíjí se prostor. Jak to skončí? Zeptejme se vědy.
Jaký je konec vesmíru
Vědci, kteří studovali strukturu a vývoj vesmíru dlouhou dobu, zvažovali tři možnosti založené na jednoduché fyzice obecné relativity a kontextu expanze vesmíru. Na jedné straně gravitace vše aktivně přitahuje; je to atraktivní síla ovládaná hmotou a energií ve všech jejich formách, které jsou přítomny ve vesmíru. Na druhé straně existuje počáteční expanzní poměr, který vše roztahuje.
Velký třesk byl výstřel, po kterém začala největší rasa všech dob: mezi gravitací a expanzí vesmíru. Kdo nakonec vyhraje? Odpověď na tuto otázku určí osud našeho světa.
Mysleli jsme si, že vesmír má tyto možnosti:
Propagační video:
- Vesmír se zhroutí ve Velké kompresi. Expanze začne rychle a velké množství hmoty a záření bude roztrženo. Pokud existuje více než dost hmoty a energie, vesmír se rozšíří na určitou maximální velikost, expanze zvrátí kontrakci a vesmír se znovu zhroutí.
- Vesmír se navždy rozšíří a povede k Velkému zmrazení. Všechno začne stejně jako výše, ale tentokrát množství hmoty a energie nebude stačit, aby odolalo expanzi. Vesmír se bude rozšiřovat věčně, jak bude expanzní rychlost nadále klesat, ale nikdy nedosáhne nuly.
- Expanze vesmíru inklinuje asymptoticky k nule. Představte si hraniční situaci mezi výše uvedenými dvěma příklady. Ještě jeden proton - a my se zhroutíme; o jednu méně - nekonečně se rozšiřujeme. V tomto kritickém případě se vesmír navždy rozšiřuje, ale při nejnižší možné rychlosti.
Abychom zjistili, která možnost je správná, museli jsme změřit, jak rychle se vesmír rozšiřuje a jak se rychlost expanze v průběhu času měnila. Zbytek je věcí fyziky.
To byla dnes jedna z největších výzev astrofyziky. Změřte rychlost, jakou se vesmír rozšiřoval, a zjistěte, jak se dnes mění struktura prostoru. Změřte, jak se míra expanze v průběhu času měnila a zjistěte, jak se v minulosti změnila struktura prostoru.
Kombinace těchto dvou informací a toho, jak se změnila míra expanze a co to bylo, vám umožní určit, z čeho je vesmír vyroben a v jakých proporcích.
Pokud víme, na základě těchto měření jsme určili, že vesmír se skládá z 0,01% záření, 0,1% neutrin, 4,9% obyčejné hmoty, 27% temné hmoty, 68% temné energie. Tento úkol, který pro některé začal již ve dvacátých letech, dostal na konci 90. let nečekanou odpověď.
Takže pokud temná energie dominuje expanzi vesmíru, co to znamená pro náš osud? Vše záleží na tom, jak - nebo zda - se temná energie vyvíjí v průběhu času. Zde je pět možností.
Temná energie je kosmologická konstanta dominantní v expanzi. Toto je výchozí nastavení a zohledňuje naše nejlepší údaje. Zatímco se hmota stává méně hustou, jak se vesmír rozšiřuje, zředí se s rozšiřováním objemu, temná energie představuje nenulové množství energie vlastní látce prostoru samotného. Jak se vesmír rozšiřuje, hustota temné energie zůstává konstantní, což způsobuje, že expanze zůstane vždy pozitivní.
To má za následek exponenciálně se rozšiřující vesmír a nakonec vytlačí vše, co není součástí naší místní skupiny. Již 97% viditelného vesmíru se za takových podmínek stane nedostupným.
Temná energie je dynamická a postupem času se stává silnější. Temná energie se jeví jako nová forma energie, která je vlastní samotnému vesmíru, což znamená, že má konstantní hustotu energie. Ale může se také časem měnit. Jedním z možných způsobů změny je to, že se postupně zvyšuje, což povede ke zrychlení tempa expanze vesmíru.
Vzdálené objekty se od nás nejen vzdálí, ale také rychleji a rychleji. Horší je, že objekty, které jsou nyní gravitačně vázány - jako kupy galaxií, jednotlivé galaxie, sluneční soustavy a dokonce atomy - se jednoho dne rozvinou, jak temná energie ztvrdne. V posledních chvílích existence vesmíru budou subatomické částice a struktura samotného časoprostoru roztrhána. Tento osud - Big Rip - je naší druhou možností.
Temná energie je dynamická a postupem času oslabuje. Jak jinak se může temná energie změnit? Místo posilování může oslabovat. Rychlost expanze je samozřejmě konzistentní s konstantním množstvím energie patřící do samotného prostoru, ale tato hustota energie se může také snižovat.
Pokud oslabí na nulu, všechno přijde k jedné z výše popsaných možností: The Great Freeze. Vesmír se rozšíří, ale bez dostatku hmoty a dalších forem energie, které mu pomohou znovu se zhroutit.
Pokud se rozpad změní na negativní, může to vést k další možnosti: Velké smrštění. Vesmír bude naplněn energií vlastní vesmíru, která náhle změní znamení a způsobí kontraktování prostoru. Tato možnost je také možná.
Temná energie se promění v jinou formu energie, která omlazuje vesmír. Pokud se temná energie nerozpadne, ale zůstane konstantní nebo dokonce zesílí, vzniká další možnost. Tato energie vlastní látce prostoru nemusí vždy zůstat v této formě. Místo toho se může proměnit v hmotu a záření, podobné tomu, jaké to bylo, když skončila kosmická inflace a začal Velký třesk.
Pokud temná energie zůstává až do tohoto bodu konstantní, vytvoří velmi, velmi chladnou a rozptýlenou verzi žhavého velkého třesku, ve kterém se mohou tvořit pouze neutrina a fotony. Pokud se však intenzita temné energie zvýší, mohlo by to vést ke stavu podobnému inflaci, po němž by následoval nový, skutečně horký Velký třesk. Toto je nejjednodušší způsob, jak omladit vesmír danými parametry.
Temná energie je spojena s nulovou energií kvantového vakua a bude se rozkládat, což ničí náš vesmír. Toto je nejničivější příležitost ze všech. Co když temná energie není skutečným množstvím prázdného prostoru v konfiguracích s nejnižší energií, ale je výsledkem symetrie na počátku vesmíru, když byly ve falešné minimální konfiguraci?
Pokud ano, musí existovat způsob, jak vytvořit kvantový tunel do stavu nižší energie změnou zákonů fyziky a odstraněním všech vázaných stavů (tj. Částic) kvantových polí dnes. Pokud je kvantové vakuum v tomto smyslu nestabilní, pak kdekoli nastane tento úpadek, výsledkem bude zničení všeho ve vesmíru bublinou, která se šíří rychlostí světla. Pokud se k nám takový signál dostane, skončíme také.
I když nevíme, která z těchto možností bude platit pro náš vesmír, data jednoduše zběsile hlasují ve prospěch první možnosti: temná energie je ve skutečnosti konstanta. Právě teď naše pozorování vývoje vesmíru - zejména díky kosmickému mikrovlnnému záření v pozadí a rozsáhlé struktuře vesmíru - stanoví přísné limity, kolik kolísavých prostor pro změnu temné energie se změní.
Ilya Khel