Что за концом вселенной: Что лежит за пределами наблюдаемой Вселенной |

Содержание

Какова геометрия Вселенной? / Хабр

Облачные решения хороши тем, что позволяют создавать проекты любой сложности, вплоть до виртуального дата-центра. Если попробовать визуализировать эти структуры, то получится этакая мини-вселенная. Давайте поиграем с геометрией, попробовав визуализировать разные модели нашей вселенной.

В нашем сознании вселенная кажется бесконечной. Но с помощью геометрии мы можем рассмотреть различные трехмерные формы, которые предлагают альтернативу «обычному» бесконечному пространству.

Когда смотришь на ночное небо, кажется, будто пространство расширяется во всех направлениях. Такова наша ментальная модель вселенной, но она не всегда является верной. В конце концов, было время, когда все думали, что Земля плоская, потому что изгибы нашей планеты было чрезвычайно трудно заметить, а уж про сферическую форму Земли и вовсе не думали.

Сегодня мы знаем, что Земля имеет форму сферы. Но мало кто задумывается о форме Вселенной. Подобно тому, как сфера стала альтернативой плоской Земле, другие трехмерные формы предлагают альтернативу «обычному» бесконечному пространству.

Мы можем задать два разных, но все же тесно связанных между собой вопросов о форме Вселенной. Один из них касается её геометрии: мелкозернистых локальных измерений таких элементов, как углы и области. Другой — о топологии: как эти локальные части сшиваются в общую форму.

Космологические данные свидетельствуют о том, что часть Вселенной, которую мы можем видеть, гладкая и однородная, по крайней мере приблизительно. Локальная ткань пространства выглядит одинаково в каждой точке и во всех направлениях. Только три геометрические формы подходят под это описание: плоская, сферическая и гиперболическая. Давайте рассмотрим эти модели, некоторые топологические предположения а также то, что говорят космологические данные о формах лучше всего описывающих нашу вселенную.

Плоская геометрия (планиметрия)

Это геометрия, которую мы изучали в школе. Углы треугольника составляют 180 градусов, а площадь круга — πr2. Самым простым примером плоской трёхмерной формы является обычное бесконечное пространство — то, что математики называют евклидовым пространством, — но есть и другие плоские формы, которые тоже нужно учитывать.

Эти формы сложнее визуализировать, но мы можем попробовать пофантазировать, думая в двух измерениях, а не в трёх. В дополнение к обычной евклидовой плоскости, мы можем создать другие плоские формы, вырезая часть плоскости и скрепляя её края вместе. Например, предположим, что мы вырезаем прямоугольный лист бумаги и скрепляем его противоположными краями. Склеивание верхней и нижней граней даёт нам цилиндр:

Потом мы можем заклеить правый и левый края, чтобы получить пончик (то, что математики называют тором):

Теперь вы, наверное, думаете: «но мне не кажется это плоским». И будете правы. Мы немного сжульничали, описывая, как устроен плоский тор. Если бы вы действительно попытались сделать тор из листа бумаги таким образом, вы бы столкнулись с определенными трудностями. Сделать цилиндр было бы легко, но заклеить концы цилиндра у вас бы не вышло: Бумага сминалась бы по внутреннему кругу тора и не растягивалась бы достаточно далеко по внешнему кругу. Вместо бумаги пришлось бы использовать какой-нибудь растягивающийся материал. Но это растяжение искажает длины и углы, меняя геометрию.

Внутри обычного трёхмерного пространства невозможно построить реальный, гладкий физический тор из плоского материала без искажения его геометрии. Но мы можем отвлечённо порассуждать о том, каково это — жить внутри плоского тора.

Представьте, что вы двумерное существо, чья вселенная — плоский тор. Поскольку геометрия этой вселенной происходит от плоского листа бумаги, все геометрические факты, к которым мы привыкли, такие же, только в маленьком масштабе: углы в треугольнике суммируются до 180 градусов и так далее. Но изменения, которые мы внесли в глобальную топологию путём вырезания и заклеивания, означают, что опыт пребывания в торе будет сильно отличаться от того, к чему мы привыкли.

Для начала, на торе есть прямые пути, которые изгибаются и возвращаются туда, откуда начинались:

Эти пути выглядят изогнутыми на искаженном торе, но обитателям плоского тора они кажутся прямыми. А так как свет распространяется по прямым путям, то если посмотрите прямо, то увидите себя сзади:

На листе бумаги свет, который вы видите, проходил сзади, пока не достигал левого края, а затем снова появился справа, как будто в видеоигре:

Можно представить это иначе. Например, вы (или луч света) пересекаете одну из четырёх границ, появляясь в том, что кажется новой «комнатой». Но на самом деле это та же самая комната, только увиденная с новой перспективы.

Это значит, что вы также можете видеть бесконечное множество различных копий себя, глядя в разных направлениях. Это своего рода эффект «Зеркального коридора», за исключением того, что копии вас не являются отражениями:

На пончике они соответствуют множеству различных колец, по которым свет может перемещаться от вас к вам:

Точно так же мы можем построить плоский трехмерный тор, приклеив противоположные стороны куба. Визуализировать это пространство как объект внутри обычного бесконечного пространства не получится, но мы можем абстрактно рассуждать о жизни внутри него.

Подобно тому, как жизнь в двухмерном торе была подобна жизни в бесконечном двухмерном массиве одинаковых прямоугольных комнат, жизнь в трёхмерном торе подобна жизни в бесконечном трёхмерном массиве одинаковых кубических комнат. Вы увидите бесконечно много копий себя:

Трёхмерный тор — всего лишь один из 10 различных плоских конечных миров. Существуют также плоские бесконечные миры, такие как трехмерный аналог бесконечного цилиндра. В каждом из этих миров существует разный набор зеркальных залов.

Является ли наша Вселенная одной из этих плоских форм?

Когда мы смотрим в космос, мы не видим бесконечно много копий себя. Тем не менее, на удивление трудно исключить эти плоские формы. Во-первых, они все имеют одну и ту же локальную геометрию, что и евклидово пространство, поэтому никакое локальное измерение не может различить их.

И если бы вы увидели копию себя, то это далёкое изображение показало бы, как вы (или ваша галактика, например) выглядели в далеком прошлом, так как свет должен был долго путешествовать, чтобы добраться до вас. Может быть, мы видим там неузнаваемые копии себя. Что ещё хуже, разные копии себя, как правило, находятся на разных расстояниях от вас, поэтому большинство из них будут выглядеть по-разному. И, возможно, они всё равно слишком далеко, чтобы мы могли их увидеть.

Чтобы обойти эти сложности, астрономы, как правило, ищут не копии самих себя, а повторяющиеся черты в самом дальнем из того, что мы можем видеть: космическое микроволновое фоновое (CMB) излучение, оставшееся после Большого взрыва. На практике это означает поиск пар кругов в реликтовом излучении, которые имеют совпадающие узоры горячих и холодных точек, что позволяет предположить, что это действительно один и тот же круг, который мы видим с двух разных точек.

В 2015 году астрономы провели именно такой анализ, используя данные с космического телескопа Планка. Они прочесали данные о видах совпадающих кругов, которые мы ожидали увидеть внутри плоского трехмерного тора или другой плоской трехмерной формы, называемой пластиной, но им не удалось их найти.

Это означает, что если мы действительно живем в торе, то он, вероятно, настолько велик, что любые повторяющиеся узоры лежат за пределами наблюдаемой вселенной.

Сферическая геометрия

Мы все знакомы с двумерными сферами — поверхностью шара, апельсина, Земли. Но что бы означало для нашей вселенной быть трёхмерной сферой?

Сложно представить себе трёхмерную сферу, но её легко описать с помощью простой аналогии. Подобно тому, как двумерная сфера — это совокупность всех точек на фиксированном расстоянии от некоторой центральной точки в обычном трёхмерном пространстве, так и трёхмерная сфера (или «трехсфера») — это совокупность всех точек на фиксированном расстоянии от некоторой центральной точки в четырёхмерном пространстве.

Жизнь в трёх сферах сильно отличается от жизни в плоском пространстве. Чтобы почувствовать это, представьте, что вы двухмерное существо, живущее в двухмерной сфере. Двухмерная сфера — это вся Вселенная — вы не можете видеть и не можете получить доступ ни к одному из окружающих трёхмерных пространств. Внутри этой сферической вселенной свет движется по кратчайшим путям: по большим кругам. Для вас эти большие круги кажутся прямыми линиями.

Теперь представьте, что вы и ваш двумерный друг тусуетесь на Северном полюсе, и ваш друг идет на прогулку. В то время как ваш друг прогуливается, вначале он будет становиться все меньше и меньше в вашем зрительном пространстве, так же, как и в нашем обычном мире (хотя он не будет уменьшаться так быстро, как мы привыкли). Это из-за того, что пока ваше зрительное пространство будет увеличиваться, ваш друг будет занимать все меньше и меньше места в нём:

Но как только друг проходит экватор, происходит что-то странное: он начинает казаться всё больше и больше, чем дальше уходит. Это потому, что процент, который он занимает в вашем зрительном пространстве, растёт:

Когда ваш друг будет в трёх метрах от Южного полюса, он будет выглядеть такими же большими, как и в трёх метрах от вас:

А когда он достигнет самого Южного полюса, его можно будет увидеть во всех направлениях, так что он заполнит весь ваш визуальный горизонт:

Если на Южном полюсе никого нет, то ваш визуальный горизонт — это нечто ещё более странное: вы сами. Всё потому, что свет, исходящий от вас, будет идти по всей сфере, пока не вернется к вам.

Это можно соотнести с жизнью в трёхмерной сфере. Каждая точка на трёхсфере имеет противоположную точку, и, если там есть объект, мы увидим его как фон, будто это небо. Если же там ничего нет, то вместо этого мы увидим самих себя в качестве фона – будто наш экстерьер был наложен на воздушный шар, затем вывернут наизнанку и надут, чтобы стать целым горизонтом.

Трёхсфера является фундаментальной моделью сферической геометрии, но это не единственное такое пространство. Подобно тому, как мы строили плоские пространства, вырезая кусок из евклидового пространства и склеивая его, мы можем строить сферические пространства, склеивая подходящий кусок из трех сфер. Каждая из этих склеенных форм, как и в торе, будет иметь эффект «лабиринта отражений», но в этих сферических формах есть только ограниченное количество комнат, через которые можно пройти.

Может ли наша Вселенная быть сферической?

Даже самые самовлюбленные люди не могут представить себя фоном всего ночного неба. Но, как и в случае с плоским тором, тот факт, что мы не видим какое-либо явление, не означает, что оно не может существовать. Окружность сферической вселенной может быть больше, чем размер обозримой вселенной, что делает фон слишком далёким, чтобы его можно было разглядеть.

Но в отличие от тора, сферическая вселенная может быть обнаружена с помощью чисто локальных измерений. Сферические формы отличаются от бесконечного евклидового пространства не только глобальностью топологии, но и тончайшей геометрией. Например, из-за того, что прямые линии в сферической геометрии представляют собой большие окружности, треугольники получаются более пухлые, чем их евклидовые аналоги, а сумма углов больше 180 градусов:

В сущности, измерение космических треугольников является основным способом, с помощью которого космологи проверяют, является ли Вселенная изогнутой. Для каждой горячей или холодной точки на космическом микроволновом фоне известны ее диаметр по горизонтали и расстояние от Земли, что образует три стороны треугольника. Мы можем измерить угол, под которым пятно скрывается в ночном небе — один из трёх углов треугольника. Затем проверить, подходит ли для плоской, сферической или гиперболической геометрии (в которой сумма углов треугольника больше 180 градусов) комбинация из длины сторон и измеренного угла.

Большинство таких исследований, наряду с другими измерениями кривизны, свидетельствуют о том, что Вселенная либо плоская, либо очень близка к плоской. Но одна исследовательская группа недавно заявила, что часть данных, полученных с помощью космического телескопа Планка в 2018 году, свидетельствуют о существовании сферической вселенной. Другие исследователи возражают против этого утверждения, полагая, что это скорее всего, статистическая случайность.

Гиперболическая геометрия

В отличие от сферы, которая изгибается сама по себе, гиперболическая геометрия раскрывается вовне. Это геометрия гибких шляп, коралловых рифов и седел. Базовая модель гиперболической геометрии – это бесконечное пространство, подобно плоскому евклидовому пространству. Но поскольку гиперболическая геометрия распространяется наружу намного быстрее, чем плоская, не существует способа поместить даже двумерную гиперболическую плоскость внутри обычного евклидового пространства, если только мы не хотим исказить его геометрию. Здесь, например, искажено представление о гиперболической плоскости, известной как диск Пуанкаре:

С нашей точки зрения, треугольники вблизи пограничного круга выглядят намного меньше, чем вблизи центра, но с точки зрения гиперболической геометрии все треугольники одинакового размера. Если бы мы попытались сделать треугольники одинакового размера – например, используя растягивающийся материал для нашего диска и увеличивая каждый треугольник по очереди, выходя наружу из центра, — наш диск стал бы похож на гибкую шляпу и сгибался бы все больше и больше по мере того, как мы прокладывали себе путь наружу. По мере приближения к границе, этот изгиб становился бы все более неконтролируемым.

С точки зрения гиперболической геометрии, граничная окружность бесконечно далека от любой внутренней точки, так как для этого нужно пересечь бесконечно много треугольников. Таким образом, гиперболическая плоскость простирается до бесконечности во всех направлениях, точно так же, как и евклидовая плоскость. Но с точки зрения локальной геометрии жизнь в гиперболической плоскости сильно отличается от того, к чему мы привыкли.

В простой евклидовой геометрии окружность прямо пропорциональна её радиусу, но в гиперболической геометрии окружность растет экспоненциально по сравнению с радиусом. Мы можем видеть экспоненциальное скопление в массах треугольников вблизи границы гиперболического диска.

Из-за этой особенности математики любят говорить, что в гиперболическом пространстве легко заблудиться. Если ваш друг уйдёт от вас в обычном евклидовом пространстве, он начнёт выглядеть меньше, но это будет происходить медленно, потому что ваш визуальный круг растёт не так стремительно. В гиперболическом пространстве ваш зрительный круг растёт в геометрической прогрессии, так что вскоре ваш друг будет выглядеть сжатым до экспоненциально мелкой точки. Если вы внимательно не отследили его маршрут, найти дорогу к нему будет практически невозможно.

А в гиперболической геометрии сумма углов треугольника составляет менее 180 градусов — например, треугольники в нашей плитке диска Пуанкаре имеют углы, составляющие 165 градусов:

Боковые стороны этих треугольников не выглядят прямыми, но это только потому, что мы смотрим на гиперболическую геометрию через искаженную линзу. Для жителя диска Пуанкаре эти кривые являются прямыми линиями, потому что самый быстрый способ добраться из точки A в точку B – срезать путь к центру:

Есть вполне закономерный способ изготовления трехмерного аналога диска Пуанкаре – просто сделайте трехмерный шар и заполните его трехмерными формами, которые становятся меньше по мере приближения к граничной зоне, как треугольники в диске Пуанкаре. И точно так же, как в плоской и сферической геометрии, мы можем сделать ряд других трехмерных гиперболических пространств, вырезая подходящий кусок трехмерного гиперболического шарика и склеивая его грани.

Может ли наша Вселенная быть гиперболической?

Гиперболическая геометрия, с ее узкими треугольниками и экспоненциально растущими кругами, не похожа на геометрию пространства вокруг нас. И действительно, как мы уже видели, большинство космологических измерений указывают на плоскую вселенную.

Но при этом возможность того, что мы живем либо в сферическом, либо в гиперболическом мире, не исключена, так как маленькие кусочки обоих этих миров выглядят почти плоскими. Например, малые треугольники в сферической геометрии имеют углы, которые составляют лишь чуть более 180 градусов, а малые треугольники в гиперболической геометрии имеют углы, которые составляют лишь чуть менее 180 градусов.

Неспроста древние люди считали, что Земля плоская – кривизна Земли была слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить. Чем больше сферическая или гиперболическая форма, тем более плоская каждая маленькая деталь. Поэтому, если наша Вселенная имеет чрезвычайно большую сферическую или гиперболическую форму, то та часть, которую мы можем наблюдать, может быть настолько близка к плоской, что ее кривизна может быть обнаружена только с помощью сверхточных приборов, которые нам ещё только предстоит изобрести.

Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y

→ Компьютерные бренды 90-х, ч.3, заключительная

→ Можно ли взломать корабль?

→ Пасхалки на топографических картах Швейцарии

→ Как мама хакера проникла в тюрьму и заразила компьютер начальника

→ Как «сломался» банк

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем не чаще двух раз в неделю и только по делу.

Как исчезнут планеты, звезды и что станет с Вселенной. Отрывок из книги «Белые карлики»

Фрагменты новых книг

В издательстве «Альпина нон-фикшн» выходит книга Алексея Левина о белых карликах — небесных телах, которые остаются после взрывов большинства звезд. ТАСС публикует отрывок о том, как современная физика представляет далекое-далекое будущее Вселенной

Все звезды рано или поздно выгорают, если прежде не случится что-то необычное. После этого они проваливаются в себя, а на их месте обычно остается шар из чрезвычайно плотного и горячего вещества — белый карлик. Примерно через 7,5 млрд лет именно так «умрет» наше Солнце, а когда-нибудь звезд вообще не останется. Но по меркам Вселенной это будет только начало.

У физиков нет единого мнения, что произойдет в далеком-далеком будущем, — есть несколько сценариев. Наиболее вероятный строится на предположении, что Вселенная будет расширяться с плавным ускорением. Этот сценарий по аналогии с Большим взрывом называется Большая заморозка. В своей книге «Белые карлики. Будущее Вселенной» Алексей Левин начинает с него, но также рассматривает альтернативные гипотезы насчет конца всего сущего.

Наиболее подробно «морозильный» сценарий разработали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин в 1997 г., как раз накануне открытия ускоренного расширения Вселенной. Вакуумную энергию они в расчет не принимали и производили свои вычисления на основании стандартной открытой модели. Они подразделили настоящее и будущее нашей Вселенной на четыре эры.

ЗВЕЗДНАЯ ЭРА началась где-то через сотню миллионов лет после Большого взрыва. В этой фазе во Вселенной происходила интенсивная генерация энергии (и, естественно, энтропии) за счет термоядерного синтеза в звездных недрах. Звезды с различными начальными массами проживают разные сроки, но в конце концов или взрываются сверхновыми, или превращаются в белые карлики. Дольше всего в активном состоянии существуют красные карлики, самые легкие звезды с начальной массой от 8 до 30% массы Солнца и температурой поверхности 3000–4000 K. Они очень медленно выжигают водород, а после его истощения ухитряются «кормиться» легким изотопом гелия, гелием-3. Постепенно они тоже сжимаются, сильно разогревают поверхность и голубеют. Такие звезды живут до триллиона (10¹²) лет, но в результате и они превращаются в белые карлики.

Адамс и Лафлин вычислили, что процесс звездообразования завершится, когда Вселенной исполнится 10¹⁴ лет. К этому времени в космическом пространстве не останется свободного рассеянного вещества, способного стянуться под действием гравитации в газопылевые облака, дающие начало новым звездам. Тогда же прекратятся ядерные реакции в последних красных карликах. Звездная эра закончится.

ЭРА ВЫРОЖДЕНИЯ охватывает промежуток 10¹⁵–10³⁷ лет после Большого взрыва. На этом этапе космической истории во Вселенной больше не будет звезд с активными термоядерными топками. В космическом пространстве останутся белые карлики, нейтронные звезды и коричневые карлики (плюс пережившие звездные взрывы планеты, планетоиды и прочая космическая мелочь). И конечно, в космосе будет много черных дыр. Дыры-супергиганты, сформировавшиеся в звездную эру в активных ядрах большинства галактик, продолжат глотать вещество и увеличивать свои размеры и массу. К ним добавятся дыры звездного масштаба, наследницы наиболее массивных светил. Некоторые дыры сольются друг с другом и с нейтронными звездами и раздуются еще сильнее. В конце прошлого века такой прогноз казался чисто теоретическим, но сейчас, после начала Революции многоканальности, он доказан данными гравитационной астрономии.

‘ YouTube/melodysheep. Получасовой фильм, где показано то, о чем говорится в книге Левина’

Дальше — больше. Во время Эры вырождения начнется постепенное разрушение космических скоплений всех рангов — от планетных систем до галактик. Некоторые тела под действием тяготения соседей наберут скорость и вылетят в свободный космос (этот механизм называется гравитационной пращой). Конечно, такое случалось и раньше, но очень редко, поскольку гравитационные возмущения крайне медленны. Однако время возьмет свое, и, когда возраст мироздания достигнет 10²⁰ лет, число связанных систем значительно сократится. Остатки погасших звезд, обращающихся вокруг центров галактик, постепенно потеряют кинетическую энергию из-за испускания гравитационных волн и упадут в галактические черные дыры. В промежутке 10³⁰–10³³ лет эти дыры пожрут и галактики, и галактические скопления. Гравитационное излучение приведет к гибели двойные звезды и пары околозвездных планетных систем. Одиночные тела, которым посчастливится не стать пищей для черной дыры, продолжат свой путь сквозь пустеющий расширяющийся космос.

Дальнейший прогноз не столь ясен. Известно, что свободные нейтроны быстро распадаются на протоны, электроны и антинейтрино (так называемый бета-распад) и выживают либо в составе атомных ядер, либо внутри сверхплотных нейтронных звезд. Судьба их собратьев-протонов в точности неизвестна. Долгое время их почитали абсолютно стабильными, но в 1974 г. американские физики Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу представили весьма убедительные аргументы противоположного характера. Правда, позже в их модели обнаружили неточности, но даже сегодня большинство физиков уверены, что протоны не вечны. Период их полураспада еще точно не определен, но во всяком случае он больше 10³² лет. Адамс и Лафлин заложили в свою модель много большее значение — 10³⁷ лет. Это означает, что к концу Эры вырождения распадется каждый второй из 10⁷⁸ протонов, образовавшихся после Большого взрыва.

Если верить теории, распад протона может происходить разными путями, но все же доминирует канал с образованием нейтрального пи-мезона и позитрона. Первая частица без посторонней помощи немедленно превращается в два высокоэнергетичных фотона, вторая — поступает аналогичным образом после аннигиляции с электроном. Получается, что один протон дает начало четырем гамма-квантам. Следовательно, в конце Эры вырождения обычное вещество в составе планет и белых карликов превратится в излучение.

Как ни странно, исчезновение протонов сулит смерть и нейтронным звездам. Они покрыты коркой обычного вещества, которое при протонном распаде испарится. На оголенной поверхности звезды плотность нейтронной материи относительно невелика, поэтому нейтроны пропадут в бета-распадах. Финал все тот же — вещество дает начало излучению.

ЭРА ЧЕРНЫХ ДЫР приходится на промежуток 10³⁸–10¹⁰⁰ лет. В это время исчезнут практически все барионы (протоны и нейтроны) и единственными макрообъектами Вселенной останутся черные дыры. Однако и они за счет квантовых процессов постепенно превратятся в излучение и погибнут во взрывах. Сверхмассивная дыра, успевшая заглотить крупную галактику (порядка 100 млрд солнечных масс), может протянуть 10⁹⁸ лет, а к концу этой эпохи дыры практически исчезнут.

ТЕМНАЯ ЭРА наступит, когда возраст мироздания превысит 10¹⁰⁰ лет. Из былого богатства материи останутся лишь кванты электромагнитного излучения почти нулевой температуры и стабильные лептоны (нейтрино, электроны и позитроны). Некоторые электроны и позитроны смогут образовать связанные пары (так называемые атомы позитрония), поперечник которых составит триллионы световых лет. Эти частицы будут медленно сближаться по спирали и в конце концов тоже аннигилируют в излучение (в соответствии со сценарием Адамса и Лафлина — через 10¹⁴¹ лет). Оставшиеся в неимоверно разбухшем космосе свободные электроны и позитроны практически никогда не встретятся, потому и не исчезнут. Это и есть космологическая тепловая смерть в самом чистом виде.

На эту тему

Такой сценарий был предложен до открытия ускоряющегося расширения Вселенной, что принципиально ничего не меняет. Вселенная, которая расширяется с ускорением, просто опустеет быстрее, чем следует из гипотезы Адамса и Лафлина. Однако есть и другая поправка, физически более интересная. Поскольку энергия вакуума никуда не исчезнет, температура реликтовых фотонов не упадет ниже определенного положительного предела (10^–27 K). Эта величина невообразимо мала, но все же больше нуля. Так что космологическая тепловая смерть не означает беспредельного охлаждения.

Существуют и альтернативные прогнозы. Среди них сценарии Большого разрыва, которые рассматривают с начала 1980-х гг. Наиболее экзотический из них (во всяком случае, по моему мнению) предложили Роберт Колдуэлл, Марк Камионковски и Невин Вайнберг в 2003 г. В соответствии с их моделью возрастание темной энергии приведет к вселенскому антиколлапсу. Ждать этого не так долго — всего 20 млрд лет. За 1 млрд лет до этого срока скорость расширения пространства увеличится настолько, что скопления галактик потеряют всякую устойчивость и примутся разрушаться. Распад Млечного Пути начнется за 60 млн лет до рокового финала. За три месяца до этого срока послесолнечный белый карлик потеряет способность удерживать оставшиеся планеты, и меньше чем за час расширяющееся пространство разорвет и их. А дальше придет очередь пылевых частиц, атомов, атомных ядер и даже протонов и нейтронов, которые превратятся в кварки и глюоны. Это-то и будет настоящим концом света.

Закрытые модели мироздания не отличаются особым разнообразием. Вселенная еще какое-то время продолжит расширяться, в силу чего температура реликтового космического излучения (которая сейчас равна 2,7 K) еще больше снизится. Затем расширение сменится сжатием, скорость которого будет непрерывно возрастать. Температура реликтовых фотонов будет расти, а пространственно-временной универсум еще сильнее искривится. В конце концов мироздание исчезнет в квантовой сингулярности, о которой современная физика практически ничего не знает. В общем, случится Большой взрыв наоборот.

Коль скоро в настоящее время плотность космической энергии меньше критической, этот сценарий вроде бы не имеет шансов на реализацию. Однако темная энергия и здесь вносит свои коррективы. Из некоторых квантовых теорий гравитации следует, что в будущем она может изменить знак и начать работать не на расширение, а на сжатие пространства, и коллапс мироздания станет реальностью. Любопытно, что, согласно некоторым расчетам, его придется ожидать примерно столько же, сколько и Большого разрыва, — 10–20 млрд лет.

Существует также сценарий, согласно которому конец света может наступить хоть завтра. Первыми его предложили в 1975 г. московские физики М.Б. Волошин, И.Ю. Кобзарев и Л.Б. Окунь, однако в их работе содержались ошибки: спустя 5 лет американцы Сидни Коулман и Фрэнк Де Лучия сделали это много корректнее.

На эту тему

Чтобы понять логику их рассуждений, нужны кое-какие сведения о физическом вакууме. Согласно квантовой теории поля, вакуум — не абсолютная пустота, а весьма сложная динамическая система со множеством степеней свободы. В нем отсутствуют реальные частицы, однако (в силу квантовых соотношений неопределенностей) постоянно рождаются и исчезают их виртуальные аналоги. Если вакуум пребывает в состоянии с минимально возможной энергией, его называют истинным. Однако вакуум может обладать и возбужденными состояниями с более высокими значениями энергии. Кстати, теория инфляционного расширения новорожденной Вселенной как раз исходит из того, что на этой стадии энергия вакуума была чрезвычайно высока.

Когда Коулман и Де Лучия писали свою статью, считалось, что вакуум нашего мира является истинным и обладает нулевой энергией. Они же, напротив, предположили, что вакуум находится в чрезвычайно долгоживущем (как говорят физики, метастабильном) возбужденном состоянии с положительной энергией. Такой вакуум называется ложным. Коулман и Де Лучия показали, что механизм квантового туннелирования делает возможным спонтанное превращение ложного вакуума в истинный в крошечной области пространства. Родившийся пузырек истинного вакуума будет расширяться, порождая внутри себя материю с абсолютно новыми физическими свойствами и полностью уничтожая наш ложновакуумный мир. Где бы такой пузырь ни возник, до нас он доберется со скоростью света и, следовательно, без всякого предупреждения.

Аналог этого сценария возникает и в некоторых версиях квантовой гравитации, основанной на теории суперструн. Из них тоже следует, что вакуум метастабилен. Он может туннелировать в состояние с нулевой плотностью энергии, но может случиться и так, что эта плотность окажется отрицательной. В первом случае наш мир обретет еще шесть пространственных измерений, то есть пространство-время станет не четырехмерным, а десятимерным. Разумеется, это будет мир с абсолютно другой физикой. Есть вариант и похуже. Если плотность вакуумной энергии в какой-то точке упадет ниже нуля, этот пузырь проглотит весь космос и настанет всеобщий коллапс, расширяющийся со скоростью света. К слову, Коулман и Де Лучия допускали и такую возможность, однако всерьез ее не принимали.

Наконец, существуют сценарии пульсирующего мироздания, которое многократно возрождается из сингулярностей, претерпевает расширение и сжатие и вновь гибнет в коллапсе. В 2005 г. такую модель с циклами длительностью около 1 трлн лет предложили американец Пол Стейнхардт и его британский коллега Нил Тьюрок. В этом сценарии вакуум многократно переходит на все более и более низкие энергетические уровни, что и служит причиной катаклизмов. В конце концов плотность вакуумной энергии дойдет до истинного минимума, и тогда Вселенная коллапсирует окончательно и бесповоротно. В общем, куда ни кинь — всюду клин.

Теги

Фрагменты новых книг

Конец Вселенной

Этот гостевой пост был написан Дэнни Бейкером, студентом бакалавриата Университета Коннектикута, для задания на курсе «Основы современной астрофизики» осенью 2021 года, который вел профессор Кара Баттерсби. В рамках курса студентам было поручено написать краткое изложение темы в астрономии в стиле астробитов. Дэнни специализируется на компьютерных науках, специализируясь как на астрофизике, так и на математике. Он надеется объединить все три области, чтобы сделать новаторские открытия о Вселенной.

Безбрежность вселенной — это то, что многим людям трудно понять. Вообразить это в сочетании с огромным количеством времени, которое оно имеет и будет продолжать терпеть, может быть почти ошеломляющим. Как вы вообще начинаете понимать эти понятия? Когда вы все равно пытаетесь понять это, вы почти сразу же сталкиваетесь с довольно серьезными вопросами: как может быть бесконечное пространство? Как была создана Вселенная? И что более важно (хотя бы ради этого Астробита): чем это закончится? Хотя конец Вселенной, какой мы ее знаем, все еще очень неясен, есть четыре теории, которые стремятся приблизить нас к пониманию этой вышеупомянутой непостижимой концепции: тепловая смерть, Большое сжатие, Большой разрыв и вакуумный распад.

Путь к пониманию судьбы Вселенной начинается с Альберта Эйнштейна. Эйнштейн считал, что гравитация будет работать против общепринятой идеи статической Вселенной, которая была широко распространена в его время. Он думал, что сила гравитации заставит вещи сжиматься. Однако этого не произошло. Эйнштейн пришел к выводу, что должна существовать какая-то отталкивающая сила, противодействующая этому, что он назвал космологической постоянной. Однако в 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что красное смещение галактики пропорционально ее расстоянию. Применяя концепции общей теории относительности, это рассматривалось как расширяющаяся ткань пространства и времени. Эта новая информация подразумевала расширяющуюся Вселенную, и поэтому Эйнштейн отказался от своей работы с космологической постоянной — хотя это не последнее, что мы услышим об этом.

Теперь, когда мы знаем, что Вселенная расширяется, мы начинаем понимать, как может закончиться Вселенная. При таком расширении галактики удаляются друг от друга все дальше. По прошествии миллиардов лет все начнет остывать. Под этим я подразумеваю, что звезды выгорают, а «ингредиенты», необходимые для образования новых звезд, рассеиваются до такой степени, что звездообразование прекращается. Все огни гаснут, и ночное небо темнеет (и дневное небо, если уж на то пошло). Во Вселенной больше ничего не происходит, когда она приближается к «минимальной температуре и максимальной энтропии». Достигнуто стабильное состояние низкой рассеянной энергии. Конечно, это означает, что у систем не будет достаточно энергии для выполнения механической работы. Этот сценарий называется тепловая смерть .

Тепловая смерть, хотя и безобидная и унылая, — не единственный способ, с помощью которого расширяющаяся Вселенная может достичь своего конца. Давайте перенесем наше исследование в 1998 год, когда телескоп «Хаббл» обнаружил, что раньше Вселенная ускорялась медленнее. Это новое понимание было достигнуто путем наблюдения за яркостью далеких и старых сверхновых. Итак, сейчас Вселенная расширяется с большей скоростью. Хорошо… но как ? Если гравитация притягивает, что заставляет вещи отталкиваться? Не только это, но и то, как вещи отталкиваются все быстрее и быстрее? Ответ: темная энергия. Считается, что темная энергия составляет около 70% Вселенной и теоретически является неотъемлемым свойством пустого пространства. Эти новые данные фактически предполагают, что идея космологической постоянной Эйнштейна была очень близка! К сожалению для этого обсуждения, о темной энергии все еще очень мало известно, поскольку ее нельзя наблюдать напрямую. Математика, доказывающая его существование, подразумевает, что по мере того, как пространство расширяется за счет сил темной энергии, становится больше пустого пространства, что еще больше способствует распространению галактик. Эффекты темной энергии накапливаются на этих обширных пространствах пустоты, заставляя Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Теория, поддерживаемая этим явлением, предполагает, что если плотность темной энергии станет достаточно большой, это ускорение будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока солнечные системы, планеты, атомы и даже кварки не будут разорваны на части темной энергией. По мере того как Вселенная расширяется, в пустом пространстве появляется все больше и больше энергии, пока буквально не порвется сама ткань пространства-времени. Это известно как Большой разрыв .

Тем не менее, есть еще одно предсказание, совершенно противоположное Большому Разрыву. Большое сжатие произойдет, если во Вселенной будет достаточно коллективной материи, чтобы сила гравитации могла остановить расширение и стянуть все обратно в одну точку. Галактики будут сталкиваться и уничтожать планеты и звезды. Это сжатие вызовет экстремальную плотность и температуру. Для уточнения, коллективный вопрос относится к вопросу и 9.0004 тёмная материя. Темная материя — это тип материи, о существовании которой мы знаем, но знаем очень мало. Вместо того, чтобы наблюдать за ним напрямую, мы можем в основном просто наблюдать эффекты его существования; мы знаем, что она существует, потому что одной гравитации материи недостаточно, чтобы удерживать галактики вместе. Обратите внимание, что единственное отношение, которое она имеет к темной энергии, заключается в том, что мы не можем видеть их обоих. Интересно, что существует одна теория, согласно которой, когда вся материя во Вселенной схлопнется в одну точку, она мгновенно взорвется и расширится, перезапустив все обратно в космос. Теория фактически предполагает, что может произойти еще один Большой взрыв, ведущий к бесконечному циклу экстремального расширения и сжатия, называемому 9.0003 Большой отскок . Итак, есть или надежда на то, что вселенная не может быть полностью обречена.

Четвертое и последнее предсказание конца Вселенной называется распадом вакуума . Первое, что вам нужно знать об этом сценарии, это то, что вакуум в данном контексте означает не пустое пространство, а состояние с наименьшей потенциальной энергией. Для начала рассмотрим поле Хиггса. Это энергетическое поле, которое отвечает за придание массы нашей Вселенной. Это происходит, когда частица взаимодействует с полем. Он приобретает массу, но взамен теряет способность путешествовать со скоростью света. Основная идея распада вакуума состоит в том, что считается, что поле Хиггса находится в — стабильное состояние потенциальной энергии , но оно не находится в наиболее стабильном состоянии . Как вы можете видеть на Рисунке 1, поле Хиггса может быть в падении справа, что является минимумом, но не самым низким в целом. Там она находится в долине, но тем не менее обладает большей потенциальной энергией, чем в левом падении. Чем ниже потенциальная энергия, тем более устойчивым и, следовательно, более благоприятным является состояние. Итак, поле Хиггса хочет, чтобы было в нижней долине, но как оно может туда попасть? Либо должно произойти событие с такой энергией, чтобы оно могло перебросить поле через холм и в нижнюю долину, либо поле может квантово туннелировать. Последнее может произойти в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга; Частица бозона Хиггса может спонтанно перемещаться из одного провала в другой. Если это произойдет, то будет создан небольшой «пузырь» более благоприятного энергетического состояния. Хотя есть шанс, что он может схлопнуться обратно в себя, оставив вселенную неизменной, поскольку он более благоприятен, он также может расширяться и расти. Это может продолжаться до тех пор, пока не достигнет скорости света. С этим сдвигом в энергетическом состоянии правила вселенной, физики и даже химии будут полностью переписаны. Взаимодействия между полями и частицами будут неузнаваемы. Когда этот вакуумный пузырь расширяется, он уничтожает все на своем пути. Предупреждения не будет; мы просто перестанем существовать…

Рис. 1: Приблизительное представление энергетических состояний поля Хиггса. Чем ниже потенциальная энергия (ось ординат), тем более благоприятным является состояние. Поле Хиггса стабильно, когда оно находится в долине. Взято из видео: Как вакуумный распад уничтожит Вселенную, PBS Space Time

Хотя все эти четыре описанных события имеют совершенно разные процессы, есть одна общая тема: конец Вселенной неизбежен. В конце концов, второй закон термодинамики подкрепляет эту идею, говоря нам, что состояние Вселенной будет стремиться к энтропии. Да, все эти судьбы все еще обсуждаются, но по мере того, как мы продвигаемся вперед в науке и открываем больше знаний о вселенной, в которой мы живем, эти возможности, которые мы представляем, становятся все более и более точными. Хотя они приближают нас к ответу на наши вопросы о ошеломляющей природе Вселенной, я считаю, что тот факт, что мы точно не знаем, чем она закончится, является свидетельством ее красоты и сложности. Вселенная с ее бесконечными просторами и возрастом хранит так много секретов, которые постоянно бросают вызов нашим исследованиям и раздвигают границы науки до, казалось бы, невозможных пределов.

Астробит редактируется Линой Киммиг

Изображение. пост был написан приглашенным автором. Если вы хотите написать гостевой пост для Astrobites, свяжитесь с нами.

5 способов уничтожить вселенную

Все когда-нибудь должно закончиться, но включает ли это саму вселенную? И если да, то как? И когда? Может быть трудно представить катастрофу, достаточно большую, чтобы затронуть все существование, но физики ожидают, что все это когда-то закончится, и это может произойти раньше, чем мы думаем. Вот некоторые из ведущих гипотез о том, как и когда Вселенная может закончиться.

Чтобы понять, как космос может прийти к концу, физики обращаются к истокам. Около 13,8 миллиардов лет назад пространство и время вырвались из невероятно плотной сингулярности, и это событие стало известно как Большой взрыв. С этой точки Вселенная быстро расширялась, материя охлаждалась и конденсировалась в галактики и все содержащиеся в них звезды и планеты.

Но Вселенная все еще расширяется, и делает это с ускорением благодаря таинственной силе, которую ученые называют «темной энергией». Как следует из этого названия, мы очень мало знаем о том, как работает эта сила или почему она отталкивает все от всего остального, но она имеет довольно серьезные последствия для окончательной судьбы Вселенной. Как это происходит, зависит от того, как вы настроите числа в моделях.

Большая заморозка

Схема Большого Взрыва, который будет продолжать расширяться навсегда в модели Big Freeze

Depositphotos

Согласно нашим лучшим моделям эволюции Вселенной, наиболее вероятным сценарием является то, что называется Большой заморозкой. Если темная энергия будет вечно ускорять расширение Вселенной — а расчеты предполагают, что так оно и будет, — то космос ждет медленная смерть, которая растянется на гугол-лет. Это непостижимое число — это единица, за которой следуют 100 нулей.

Если бы вы могли просмотреть участок неба в ускоренной перемотке на миллиарды лет, звезды начали бы краснеть, а затем полностью исчезли бы. Это потому, что расширяющаяся Вселенная будет растягивать длину волны их света все дальше и дальше к красному концу спектра, прежде чем сделать их полностью невидимыми для глаза.

Конечно, даже если бы вы их не видели, далекие звезды и галактики все равно существовали бы — по крайней мере, в течение нескольких триллионов лет. Но через некоторое время расширение будет разбавлять пыль и газ, плавающие в космосе, до тех пор, пока в какой-либо одной области их не станет достаточно, чтобы подпитывать рождение новых звезд. Поскольку звезды больше не рождаются, они в конечном итоге становятся исчезающими, а затем вымершими видами, поскольку последние из них вымирают.

Так начинается «Эра вырождения» Вселенной, примерно через 100 триллионов лет. К этому моменту существуют только белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, но и они исчезнут: белые карлики и некоторые нейтронные звезды медленно остынут, превратившись в невидимых инертных черных карликов, а другие нейтронные звезды превратятся в черные дыры.

К 10 тредециллиону года (единица с 43 нулями) не останется ничего, кроме черных дыр. И даже они не вечны — как и предсказывал Стивен Хокинг, черные дыры медленно испускают излучение, пока в конце концов не испарятся.

Примерно через 1 гугол-год, когда исчезнут и все черные дыры, Вселенная вступит в свой последний век – Темную эру. Свет и материя — далекие воспоминания, а оставшиеся свободные частицы будут жить самым одиноким из возможных существований, редко имея шанс промчаться в пределах светового года друг от друга, не говоря уже о взаимодействии. И больше ничего никогда не случится, навеки.

Большой разрыв

Подобный сценарий приводит к гораздо более драматичной смерти, но гораздо раньше. В этой модели темная энергия не просто ускоряет расширение Вселенной в постоянном темпе, она ускоряется экспоненциально, в конечном итоге разрывая на части саму ткань реальности — финал, называемый Большим разрывом.

Существует физический предел расстояния до космоса, которое мы могли бы когда-либо увидеть, даже если бы у вас был самый мощный телескоп. Этот предел продиктован скоростью света — в определенный момент объекты находятся слишком далеко, чтобы их свет успел достичь Земли. Эта область называется наблюдаемой Вселенной.

В модели Большого разрыва экспоненциально ускоряющееся расширение выталкивает все больше и больше объектов за эту границу, а это означает, что наблюдаемая Вселенная постоянно сжимается. Любые два объекта, которые находятся дальше друг от друга, чем позволяет эта граница, больше не могут влиять друг на друга посредством фундаментальных сил, таких как гравитация или электромагнетизм.

По мере того, как это расстояние будет уменьшаться, крупномасштабные структуры Вселенной начнут рушиться — по мере уменьшения влияния гравитации она не сможет удерживать скопления галактик вместе, и они начнут растворяться. В конце концов то же самое произойдет и с самими галактиками, и звезды будут дрейфовать сами по себе. Позже космический горизонт событий сожмется за пределы масштаба отдельной звездной системы, а это означает, что планеты больше не будут привязаны к своим орбитам вокруг звезд.

В последние несколько минут существования этот горизонт событий сожмется меньше, чем масштаб молекул, разрушив силы, удерживающие материю вместе, уничтожив звезды, планеты и все, что на них. И, наконец, сами эти свободные атомы будут разорваны на части частица за частицей. Последняя жертва — сама ткань пространства-времени.

Ученые, предложившие эту модель, предсказывают, что, если это произойдет, Вселенной останется жить около 22 миллиардов лет. К счастью, другие ученые считают, что этот сценарий включает в себя нереалистичные параметры, поэтому вероятность его реализации меньше, чем у некоторых других идей в этом списке.

Большой кризис

Диаграмма, на которой сравниваются возможные траектории расширения Вселенной либо в сторону модели Большого Замораживания/Разрыва (красный), либо в сторону Большого Сжатия (желтый)

Depositphotos

Возможно, вселенная закончится совершенно противоположным образом — вместо того, чтобы навсегда превратиться в небытие, она изменит курс и схлопнется сама с собой в так называемом Большом сжатии.

В космическом перетягивании каната между гравитацией, пытающейся собрать все воедино, и темной энергией, пытающейся раздвинуть ее на части, ученые обычно делают ставки в пользу темной энергии, что в конечном итоге приводит к Большому Замораживанию или Большому Разрыву. Но мы не можем полностью исключить гравитацию из бега.

Если плотность материи во Вселенной достаточно высока, ее гравитация может преодолеть расширение и вместо этого вызвать фазу сжатия. Все начнет двигаться ко всему остальному, когда Вселенная снова сожмется. Как и в нашей текущей фазе расширения, никто из живущих в то время не будет затронут напрямую — по крайней мере, до самого конца.

Скопления галактик начнут сливаться, затем сами галактики, и, наконец, отдельные звезды будут сталкиваться более регулярно. Но настоящая беда начинается с космического микроволнового фона — фонового излучения Вселенной, оставшегося после Большого взрыва. По мере того как его фотоны смещаются в сторону синего конца спектра, это излучение нагревается, пока в конце концов не станет горячее звезд. Это означает, что звезды больше не могут излучать свое тепло наружу и будут становиться все горячее и горячее, пока не испарятся.

В последние несколько минут температура Вселенной станет настолько высокой, что сами атомы развалятся. Не то чтобы им пришлось долго беспокоиться об этом, поскольку их засосет в черные дыры, которые занимают все большую часть сжимающейся Вселенной.

В конце концов, все содержимое вселенной будет смято в невероятно маленькое пространство — сингулярность, подобную обратному Большому Взрыву.

Разные ученые дают разные оценки того, когда может начаться эта фаза сжатия. Это может быть еще через миллиарды лет. Или, согласно недавнему исследованию, это может произойти довольно скоро, с космической точки зрения, поскольку вселенная изменит курс примерно через 100 миллионов лет. В этой модели фаза сжатия займет около миллиарда лет, прежде чем мы вернемся к этой сингулярности.

Большой скачок

Но это может быть еще не конец. Вариант вышеприведенной гипотезы предполагает, что за несколько мгновений до того, как Вселенная схлопнется в бесконечно плотную сингулярность, ее спасут квантовые процессы, и она снова изменит курс, начав новый период расширения, который фактически станет еще одним Большим взрывом для совершенно новой Вселенной. Эта модель известна как Big Bounce.

Хотя это может показаться слишком удобным, сторонники этой идеи говорят, что в мире квантовой физики есть некий прецедент — в конце концов, когда Вселенная сжимается до сингулярности, она становится настолько маленькой, что квантовые правила берут верх над квантовой физикой. крупномасштабная классическая физика, с которой мы знакомы.

В этот момент может произойти квантовое туннелирование, когда частицы могут преодолевать барьеры, через которые, по общему мнению, у них не должно хватить энергии. Это приводит к таким процессам, как радиоактивный распад, и, согласно недавнему исследованию, также может позволить сжимающейся Вселенной «избежать» участи полного коллапса и снова начать расширяться.

Любопытно, что теория Большого отскока связана с другой теорией, называемой петлевой квантовой гравитацией, которая была создана как способ объяснить гравитацию с точки зрения квантовой механики.

Забавный вывод из гипотезы Большого отскока заключается в том, что мы можем оказаться в центре бесконечной цепочки создания и разрушения вселенных.

Большой глоток

В модели Big Slurp пузырь распада ложного вакуума расширялся бы через космос, поглощая все

Depositphotos

Последний сценарий конца света в этом списке, пожалуй, самый тревожный, потому что он уже может обрушиться на нас, и мы не узнаем, пока он не ударит. Это называется ложным распадом вакуума или, в просторечии, Большим Хлюпом.

Закон физики гласит, что система естественным образом пытается стать стабильной. Для этого он переходит из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией, пока не стабилизируется в самом низком из возможных энергетических состояний. Для квантовых полей это известно как его вакуумное состояние.

Считается, что все известные квантовые поля находятся в стабильных вакуумных состояниях, кроме одного: поля Хиггса. Кажется, что он находится в состоянии ложного вакуума, а это означает, что в настоящее время он кажется стабильным, но, по прогнозам, не находится в состоянии с самой низкой энергией.

Но это может измениться без предупреждения. Буквально в любую секунду поле Хиггса может внезапно перейти в более низкое энергетическое состояние, уничтожив при этом огромный кусок (если не всю) Вселенной.

Все, что требуется, — это чтобы одна крошечная точка в пространстве коллапсировала в это более низкое энергетическое состояние, которое отправило бы пузырь распада вакуума, расширяющийся наружу со скоростью света. Двигаясь так быстро, мы даже не могли его увидеть, пока стена этого пузыря не врезалась в Землю.

Что произойдет, когда мы окажемся внутри этого пузыря? Никто не уверен, но это, вероятно, перепишет законы природы.