Смерть вселенной: Тепловая смерть Вселенной |

Содержание

Тепловая смерть Вселенной

Второй закон (начало) термодинамики говорит о том, что внутренняя энергия тепла (теплота) не может самостоятельно переходить от менее нагретого объекта к более нагретому объекту.

Содержание:

1 Появление теории в 19 веке
2 Развитие теории в 20 веке
3 Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной
4 Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной
5 Эпоха черных дыр

Появление теории в 19 веке

Рудольф Клаузис

В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия — к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы). Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния. В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.

В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S — энтропия, k — константа Больцмана, W — количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние — это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние — состояние системы в целом.

Наглядно об энтропии

В настоящее время энтропия видимой части нашей Вселенной оценивается примерно в 1088 или 10 октовигинтиллионов. Это значение примерно соответствует числу фотонов в нашей Вселенной, для сравнения число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз превышает число барионов (обычных элементарных частей состоящих из нескольких кварков – протонов, нейтронов, и т.д.).

Развитие теории в 20 веке

Открытие расширения Вселенной в 20 веке укрепило гипотезу будущей “тепловой смерти Вселенной“. Астрономические наблюдения наиболее удаленных частей наблюдаемой Вселенной показали, что наша Вселенная на масштабе в несколько сотен мегапарсек имеет неупорядоченный ячеистый вид, в котором сверхскопления галактик чередуются с огромными пустотами (войдами).

Крупномасштабная структура Вселенной

Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие реликтового излучения – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет. Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов. Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.

Наглядная модель Вселенной

Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от возраста Вселенной.

Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1. 5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.

Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.

Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и черные дыры не являются вечными, а постепенно испаряются под действием “излучения Хокинга“ (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).

Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной

Иллюстрация теории Большого разрыва Вселенной

Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).

Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.

Иллюстрация теории бесконечного цикла сжатия и расширения Вселенной

Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.

Слабое современное понимание влияния темной материи и энергии на эволюцию Вселенной

С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.

При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:

Энтропия на примере воды

Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.

Информационный парадокс

Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами. Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью Луны, Марса или Венеры. Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).

Сравнение поверхности Венеры, Земли, Луны, Марса и Титана (слева направо)

В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).

Ночная фотография поверхности Земли из космоса

С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями. Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет. Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д. быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.

Тепловая смерть Земли

В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.

Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной

В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:

1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.

В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:

А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.

Иллюстрация сценария будущего Вселенной где протон является нестабильной элементарной частицей

Б) Протон стабильная элементарная частица;

Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;

Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи. ). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;

Черные дыры

Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.

Эпоха черных дыр

Кадр из клипа группы Комплексные числа “Неизбежность”

И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.

Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние. Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ. Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 21897

Запись опубликована: 04.12.2017
Автор: Борислав Славолюбов

Мы все умрём. Тепловая смерть Вселенной

https://ria.ru/20200328/1569279853.html

Мы все умрём. Тепловая смерть Вселенной

Мы все умрём. Тепловая смерть Вселенной — РИА Новости, 28.03.2020

Мы все умрём. Тепловая смерть Вселенной

По законам физики, любые тела и системы стремятся к энтропии – состоянию покоя, прекращению обмена энергией и распаду. Это правило работает на любом масштабе – в том числе и всекосмическом. Гипотеза о конце всего сущего от энтропии называется «теорией тепловой смерти Вселенной». Насколько она точна – и, что важнее, неизбежна?

2020-03-28T12:00

2020-03-28T12:03

мы все умрём. но это не точно

вселенная

айзек азимов

космос

подкаст

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/03/1c/1569280070_3:0:638:357_1920x0_80_0_0_cdc927303b619ea8f9aac447e8cc46e4.png

Мы все умрём. Тепловая смерть Вселенной

audio/mpeg

Мы все умрём. Тепловая смерть Вселенной

audio/mpeg

«Рано или поздно всё равно всё кончится… Однажды энергия сойдёт на нет. Энтропия достигнет максимума, и это сохранится вечно», — так писатель-фантаст Айзек Азимов объяснял конец Вселенной в рассказе «Последний вопрос». Но для нас этот вопрос стал первым среди многих: а правда ли, что энтропия необратима? Сколько времени осталось до того, как Вселенная перестанет существовать? Может, тепловая смерть Вселенной так и не наступит? Какие есть другие теории о конце всего сущего?Обо всем этом и не только мы спросили двух лекторов Московского Планетария: кандидата физико-математических наук Алексея Осокина и астрофизика, блогера и автора научно-популярного паблика «Зона Звёзд» Дмитрия Трушина.Партнер эпизода — Московский Планетарий. В марте Московский Планетарий приостановил свою работу, как и многие другие культурные учреждения Москвы, и подготовил специальную подборку, чтобы космос стал еще ближе. Впервые состоялся запуск онлайн-трансляций лекций цикла «Трибуна ученого» и «Звездные уроки». Трансляции лекций и виртуальные экскурсии Московского Планетария рассчитаны на аудиторию разных возрастов.Мы говорили на похожие темы в других эпизодах этого подкаста — например, про чёрные дыры или про исчезновение Луны.Слушайте подкасты РИА Новости и подписывайтесь на них в мобильных приложениях: для iPhone — iTunes, для Android — Google Podcasts. С любым устройством вы можете использовать Яндекс.Музыка, Castbox и SoundStream. Скачайте выбранное приложение и наберите в строке поиска «РИА Новости» или название подкаста. Как и где бесплатно подписаться на подкасты__________Эпизод подготовил Игорь КривицкийЭксперты подкаста Дмитрий Трушин, Алескей ОсокинМонтаж Андрея ТемноваСпрашивайте нас, предлагайте нам, спорьте с нами: [email protected]Подписывайтесь на наш канал в инстаграме @ria_podcasts

космос

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/03/1c/1569280070_83:0:559:357_1920x0_80_0_0_8025ce88a373ea930c4962868a9419e5.png

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

вселенная, айзек азимов, космос, подкаст, аудио

Мы все умрём. Но это не точно, Вселенная, Айзек Азимов, Космос, Подкаст

Сможет ли наука пережить гибель Вселенной?

Вера не является верой, если она основана на доказательствах, поэтому неправильно говорить, что я верю в человеческий прогресс. В отличие от Бога прогресс объективно реален, доказуемый факт, как и эволюция. Человечество стало богаче, здоровее, свободнее, миролюбивее и умнее. Мы знаем больше, чем наши предки, и мы постоянно учимся. Эти тенденции, должен признать любой разумный человек, представляют собой прогресс. Вопрос в том, как долго может продолжаться этот прогресс?

Позвольте мне вернуться на минутку. Недавно я согласился с мегаэкспертом Стивеном Пинкером в том, что за последние два столетия мы достигли материального, морального и интеллектуального прогресса, что должно дать нам надежду на то, что мы сможем достичь еще большего. Я ожидал и получил отпор. Пессимисты утверждают, что наш прогресс окажется эфемерным; что мы неизбежно поддадимся собственной гадости и глупости и погубим себя.

Может быть, а может и нет. Просто ради аргумента скажем, что в течение следующего столетия или двух мы решим наши самые большие проблемы, включая тиранию, несправедливость, бедность, пандемии, изменение климата и войны. Допустим, мы создаем мир, в котором можем делать практически все, что захотим. Многие будут гнаться за удовольствиями, находя все более захватывающие способы развлечься. Другие могут искать духовного просветления или посвятить себя художественному самовыражению.

Независимо от того, чем займутся наши потомки, некоторые из них обязательно продолжат исследовать вселенную и все, что в ней есть, включая нас. Как долго может продолжаться поиск знаний? Не так давно я утверждал 25 лет назад в этом месяце в The End of Science , , в котором утверждается, что физика элементарных частиц, космология, неврология и другие области натыкаются на фундаментальные ограничения. Я все еще думаю, что я прав, но могу ошибаться. Ниже я описываю взгляды трех физиков — Фримена Дайсона, Роджера Пенроуза и Дэвида Дойча, — которые считают, что поиск знаний может продолжаться очень-очень долго и, возможно, вечно, даже перед лицом тепловой смерти Вселенной.

Если вы размышляете о нашем долгосрочном космическом будущем, вам придется столкнуться со вторым законом термодинамики, самым удручающим научным пониманием природы. Он утверждает, что закрытые системы, не получающие энергии из внешнего источника, со временем становятся более беспорядочными. Это эвфемизм для скучного. Второй закон подразумевает, что Вселенная неизбежно впадет в стадию тепловой смерти, при которой все и везде имеет одинаковую температуру, близкую к абсолютному нулю, и ничего не происходит.

Открытие в конце 1990-х, что Вселенная расширяется с ускорением, означает, что мы приближаемся к тепловой смерти, также известной как большой холод, с возрастающей скоростью. Нехорошо. Поскольку Вселенная продолжает раздуваться, звезды, в том числе наше собственное Солнце (после того, как оно сначала стало красным гигантом и испепелило Землю), и даже черные дыры в конечном итоге будут излучать всю свою энергию, и Вселенная навсегда погрузится во тьму. Космологи подсчитали, что мы достигнем этого космического тупика — в котором само время останавливается, как указывает писатель-физик Джордж Массер — через один гугол лет. Гугол — это 10 в сотой степени.

Да, это долго. (Напротив, ожидается, что Солнце станет красным гигантом и испепелит нашу планету всего за пять миллиардов лет, или пять раз по 10 в девятой степени). бессмысленный, бесконечно малый обратный водоворот во вселенной, подобной цунами, скользящей к вечной ночи. Все наши поиски знаний будут напрасны, потому что все, чему мы научились, будет забыто, когда вселенная впадет в полное, необратимое безумие.

РАЗУМНОЕ ГАЗОВОЕ ОБЛАКО ФРИМЕНА ДАЙСОНА

Обеспокоенные перспективой космического забвения, ученые придумали, как мы можем избежать этого. Пионером таких рассуждений был Фримен Дайсон, который умер в прошлом году в возрасте 96 лет. Дайсон был спровоцирован на размышления о долгосрочной судьбе Вселенной в конце 1970-х печально известным замечанием физика Стивена Вайнберга о том, что «чем больше Вселенная кажется понятно, тем более это кажется бессмысленным».

В 19В статье 79 «Время без конца: физика и биология в открытой вселенной» Дайсон утверждает, что у Вселенной есть смысл, цель, пока в ней есть разум. Он предполагает, что через вечность наши потомки могут заселить другие звездные системы и галактики, возможно, после того, как сбросят свои тела из плоти и крови и превратятся в облака разумного газа. Дайсон приводит математические аргументы в пользу того, что эти существа могут за счет разумного сохранения энергии поддерживать ресурсы, необходимые для выживания, мышления и общения в вечно расширяющемся космосе.

Нашим потомкам всегда будет о чем подумать, настаивает Дайсон. Он воодушевлен доказательством Курта Гёделя 1931 года о том, что любая система математических аксиом является «неполной», что ставит вопросы, на которые нельзя ответить с помощью этих аксиом. Теорема Гёделя о неполноте подразумевает, что и математика, и физическая реальность будут ставить перед нами «неисчерпаемые» задачи. Дайсон утверждает, что «независимо от того, как далеко мы зайдем в будущее, всегда будут происходить новые вещи, поступать новая информация, новые миры для исследования, постоянно расширяющаяся область жизни, сознания и памяти».

После того, как я упомянул статью Дайсона в колонке 2018 года, он написал мне по электронной почте, чтобы указать, что его статья «устарела, потому что она предполагала линейно расширяющуюся Вселенную, что космологи считали правильным в 1979 году. Теперь у нас есть убедительные доказательства того, что Вселенная ускоряется, и это имеет большое значение для будущего жизни и разума». Дайсон отказался «дальнейших рассуждений» о нашей судьбе в ускоряющемся космосе, «пока данные наблюдений не станут более ясными».

ВЕЧНЫЙ ЦИКЛИЧЕСКИЙ КОСМОС РОДЖЕРА ПЕНРОУЗА

Роджер Пенроуз, получивший в прошлом году Нобелевскую премию, продолжил проект Дайсона по воображению нашего космического будущего. В 2005 году Пенроуз «депрессировал себя», «думая о пустой трате времени, которая простирается впереди Вселенной согласно последним космологическим наблюдениям, которые предполагают постоянно ускоряющееся расширение», согласно статье в Physics World . Пенроуз задавался вопросом: «Кому тогда будет скучно от этой явно подавляющей возможной скуки?»

Пенроуз преодолел свой страх, изобретя новую модель Вселенной, конформную циклическую космологию, которую он изложил в своей книге 2010 года Cycles of Time . Теория утверждает, что наш все более пустой космос в конечном итоге создаст сингулярность, разрыв в пространстве-времени, подобный Большому взрыву. Таким образом, расширяющаяся вселенная может порождать новые вселенные, одну за другой, до бесконечности.

Более того, согласно Пенроузу и его коллеге, каждая новая вселенная может передавать свою накопленную информацию следующей в виде космического микроволнового излучения, оставшегося после большого взрыва. Это означает, что микроволновое излучение, пронизывающее нашу вселенную, может содержать сообщения из предыдущих вселенных. Точно так же накопленные нами знания могут быть переданы обитателям будущих вселенных. Ведь мы не такие уж ничтожные!

Более того, в начале своей карьеры Пенроуз сделал математическое открытие, подтверждающее утверждение Дайсона о том, что Вселенная никогда не перестанет нас удивлять. Пенроуз показал, что класс многоугольников, который теперь называется плиткой Пенроуза, может комбинироваться, образуя апериодические узоры, которые никогда не повторяются. Подобно теореме о неполноте Гёделя и игре «Жизнь» — клеточному автомату, изобретенному математиком Джоном Конвеем, плитки Пенроуза предполагают, что даже вселенная, основанная на простых правилах, может порождать бесконечную и непредсказуемую сложность. Природа всегда будет ставить перед нами новые загадки, если мы будем держать ухо востро.

ДЭВИД ДОЙЧ И НАЧАЛО БЕСКОНЕЧНОСТИ

Дэвид Дойч открывает свою книгу 2011 года Начало Бесконечности вопросом: «Прогресс должен прийти к концу — либо в катастрофе, либо в каком-то виде завершения — или он неограничен ?» Книга Дойча — это один длинный аргумент в пользу неограниченности. (См. мой обзор книги Дойча здесь и мои беседы с ним здесь и здесь.)

Дойч утверждает, что весь наш прогресс — моральный, политический, технологический, медицинский, художественный, научный — проистекает из наших попыток найти «хорошие объяснения». Всегда будет что объяснять, говорит Дойч, потому что наше знание реальности всегда будет неполным. Таким образом, Дойч отклоняет мое требование в Конец Науки что наука, возможно, больше не даст более глубокого понимания природы, как эволюция, квантовая механика и Большой взрыв. Открытие ускорения космоса, утверждает Дойч, противоречит моему тезису.

Кроме того, он предполагает, что наши потомки могут использовать темную энергию, которая, как считается, подпитывает это космическое ускорение, чтобы «творение знаний» могло «продолжаться вечно». Тепловая смерть? Без проблем. Дойч не любит любое человеческое будущее, отдающее окончательным характером. Таким образом, он отвергает возможность утопии настолько совершенной, что у нас больше нет проблем, которые нужно решать. В 2018 году он сказал мне, что «мир никогда не станет совершенным, даже если все, что мы сегодня считаем проблематичным, будет устранено. Мы всегда будем в начале бесконечности. Никогда не удовлетворен».

Дойч — непреклонный сторонник гипотезы многих миров, которая пытается объяснить, почему, когда мы наблюдаем за электроном, мы видим только одну из многих возможных траекторий, представленных волновой функцией электрона. Гипотеза многих миров утверждает, что все возможности, воплощенные в волновой функции, реализуются в других вселенных. Когда я брал у него интервью в 2018 году, Дойч сравнил свидетельства существования альтернативных реальностей со свидетельствами существования динозавров. Другие вселенные «реальны», сказал он, «смиритесь с этим».

Недавно я попросил Дойча спросить, не думает ли он, что наши потомки смогут прыгать в другие вселенные, чтобы продолжить поиски знаний. В своем ответе Дойч показал, что его оптимизм, как и у Дайсона и Пенроуза, сдерживается трезвомыслящим скептицизмом. По словам Дойча, прыжок через вселенную возможен при определенных «экзотических и весьма спекулятивных сценариях».

«Но будущим поколениям может показаться немного смешным, — добавил он, — что мы размышляем о событиях, которые произойдут через 100 с лишним миллиардов лет, когда наши теории фундаментальной космологии все еще меняются в масштабе десятилетий. Это немного похоже на то, как кто-то в 1400 году размышлял о будущем приручении огнедышащих драконов для производства стали, потому что на их картах предположительно было написано «здесь будут драконы» в неизведанных регионах».

Да, пророчества Дайсона, Пенроуза и Дойча противоречат моему утверждению о том, что наука конечна. Но мы также разделяем убеждения, а именно, что мы никогда полностью не разгадаем загадку реальности, и что поиск знаний больше, чем любое другое занятие, делает наше существование осмысленным. Более того, чем старше я становлюсь, тем больше моя надежда на то, что наука бесконечна, перевешивает мой страх, что это не так. Наверное, я все-таки верю в прогресс.

Это обзорно-аналитическая статья.

Дополнительная литература :

Конец науки (обновленное издание 2015 г.)

Был ли я неправ насчет «Конца науки»?

Бесконечна ли наука?

Напутствие от Стивена Пинкера

Будет ли Вселенная помнить нас после того, как мы уйдем?

Представление Дэвида Дойча о бесконечном понимании иллюзорно?

Я признаюсь, что передумал о Конец науки в недавнем чате в подкасте «Веселый Свагмен».

Я также рассказываю о пределах знаний в своей онлайн-книге Проблемы разума и тела и в моей новой книге Обратите внимание: секс, смерть и наука .

ОБ АВТОРАХ

Джон Хорган руководит Центром научных публикаций при Технологическом институте Стивенса. Его книги включают «Конец науки», «Конец войны» и «Проблемы разума и тела», , доступные бесплатно на сайте mindbodyproblems.com. Много лет он вел популярный блог Cross Check for 9.0003 Научный американец.

Судьба Вселенной — тепловая смерть, Большой Разрыв или космическое сознание?

Черные дыры — это все, что останется перед тем, как Вселенная войдет в тепловую смерть. Но на этом история не заканчивается… Предоставлено: NASA/ESA/wikimedia.

Собирая воедино все больше подсказок, космологи приближаются к пониманию будущего и окончательной судьбы Вселенной. Боюсь, новости нехорошие. Звездообразование прекратится, и черные дыры возьмут верх, пока в конце концов не испарятся в небытие. На горизонте может быть даже «Большой разрыв». Но для тех, кто не против подождать еще 10 ^{10 ⁵⁰} лет или около того, все может начать налаживаться, поскольку может произойти ряд странных событий.

Но прежде чем рассматривать случайные события в очень далеком будущем, давайте начнем с того, что мы знаем о прошлом и настоящем.

Прошлое

Причина, по которой мы можем исследовать эволюцию Вселенной в прошлом, заключается в том, что в некоторых отношениях астрономия аналогична археологии. Явно: чем дальше мы вглядываемся от нашей родной планеты, тем дальше во времени мы заглядываем во Вселенную. И когда мы заглянем далеко назад во времени, мы заметим, что галактики расположены ближе друг к другу, чем сейчас. Хотя это всего лишь одно доказательство из многих, это наблюдение — в сочетании с общей теорией относительности Эйнштейна — означает, что Вселенная началась с Большого взрыва и с тех пор расширяется.

Настоящее

В конце прошлого века одной из самых актуальных проблем современной космологии было измерение скорости замедления Вселенной. Учитывая количество массы, наблюдаемой в космосе, считалось, что этого может быть достаточно, чтобы вызвать возможное сокращение расширения.

Примечательно, что две независимые группы ученых обнаружили прямо противоположное. Вселенная не замедлялась в своем расширении, она ускорялась. Это глубокое открытие привело к Нобелевской премии по физике в 2011 году. Однако понимание его последствий остается сложной задачей.

Один из способов представить ускоряющуюся Вселенную состоит в том, что должен существовать какой-то материал (или поле), пронизывающий Вселенную и создающий отрицательное давление (или отталкивающую гравитацию). Мы называем это темной энергией.

Это может показаться немного надуманным, но были проведены независимые эксперименты, подтверждающие ускорение Вселенной и существование темной энергии. С 2006 года я участвовал в WiggleZ Dark Energy Survey — научном эксперименте, чтобы независимо подтвердить ускорение. Мы не только обнаружили, что ускорение происходит, но и представили убедительные доказательства того, что причиной этого является темная энергия. Мы заметили, что темная энергия задерживает рост массивных сверхскоплений галактик.

Скорость роста сверхскоплений, таких как Дева, является убедительным доказательством существования темной энергии. Авторы и права: Эндрю З. Колвин/wikimedia, CC BY-SA.

Поэтому мы предположили, что темная энергия реальна. Если концепция темной энергии и ее отталкивающей гравитационной силы кажется вам слишком странной, то в качестве альтернативы следует рассмотреть возможность модификации нашей теории гравитации. Этого можно было бы достичь таким же образом, как теория относительности продвинула ньютоновскую гравитацию. В любом случае, нам нужна новая физика, чтобы объяснить это.

Будущее

Прежде чем обратиться к очень далекому будущему, я упомяну еще одно актуальное исследование: GAMA. Используя этот обзор, мы обнаружили, что Вселенная медленно «умирает». Иными словами, эпоха пика звездообразования далеко позади, а Вселенная уже угасает.

Более «ближайшее» будущее можно предсказать с некоторой уверенностью. Через пять миллиардов лет Солнце войдет в фазу красного гиганта. Удручает то, что не более чем через два миллиарда лет после этого он поглотит Землю.

После этого становится важным относительная сила темной энергии и то, как она может меняться с течением времени. Чем сильнее и быстрее отталкивающая сила темной энергии, тем больше вероятность того, что Вселенная испытает Большой Разрыв. Скажем прямо: Большой Разрыв — это то, что происходит, когда отталкивающая сила темной энергии способна преодолеть гравитацию (и все остальное). Тела, которые связаны гравитацией (например, наше местное сверхскопление, наша собственная галактика Млечный Путь, наша Солнечная система и, в конце концов, мы сами) разрываются на части, и все, что остается, — это (вероятно) одинокие участки вакуума.

Данные опроса WiggleZ и других экспериментов не исключают Большого Разрыва, но отодвигают его на исключительно далекое будущее (если вообще отодвигают).

Более насущной проблемой является тепловая смерть Вселенной. Поскольку Вселенная продолжает расширяться, мы больше не сможем наблюдать галактики за пределами нашей локальной группы (через 100 миллионов лет). Затем звездообразование прекратится примерно через 1-100 триллионов лет, поскольку запасы необходимого газа будут исчерпаны. Хотя вокруг будет несколько звезд, у них закончится топливо примерно через 120 триллионов лет. Все, что осталось на тот момент, — это звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики — главные примеры. Сто квинтиллионов (10 ²⁰ ) лет спустя большинство этих объектов будут поглощены сверхмассивными черными дырами в центре галактик.

Таким образом, вселенная будет становиться все темнее и тише, пока ничего не произойдет. Что произойдет дальше, будет зависеть от того, насколько быстро распадается материя во Вселенной. Считается, что протоны, составляющие атомы вместе с нейтронами и электронами, спонтанно распадаются на субатомные частицы, если вы достаточно долго ждете. Подсчитано, что время исчезновения всей обычной материи составляет 10 ⁴⁰ года спустя. Кроме того, останутся только черные дыры. И даже они испарятся через какие-то 10 ¹⁰⁰ лет.

В этот момент Вселенная станет почти вакуумом. Частицы, которые остаются, такие как электроны и частицы света (фотоны), затем находятся очень далеко друг от друга из-за расширения Вселенной и редко — если вообще — взаимодействуют. Это и есть настоящая смерть Вселенной, получившая название «тепловая смерть».

Идея исходит из второго закона термодинамики, который гласит, что энтропия — мера «беспорядка» или количества способов организации системы — всегда возрастает. Любая система, включая вселенную, в конце концов придет в состояние максимального беспорядка — точно так же, как кубик сахара всегда будет растворяться в чашке чая, но потребуется безумно много времени, чтобы случайным образом вернуться к упорядоченной структуре кубика. Когда вся энергия в космосе равномерно распределена, больше нет тепла или свободной энергии для подпитки процессов, которые потребляют энергию, таких как жизнь.

Мозги Больцмана и новые Большие Взрывы

Все вышеперечисленное выглядит очень мрачно, если не сказать больше. Поэтому я закончу эту статью на весьма спекулятивной, возможно, неправильной, совершенно непроверяемой, но более позитивной ноте.

Согласно странным правилам квантовой механики, случайные вещи могут появляться из вакуума. И это не просто математическая причуда: существование частиц, внезапно возникающих, а затем снова исчезающих, постоянно наблюдается в экспериментах по физике элементарных частиц. Однако нет никаких причин, по которым так называемые «квантовые флуктуации» не могли бы породить целый атом.

Было даже предположение, что в этом контексте мог быть создан «мозг», получивший название «мозг Больцмана». Сроки появления такой штуки? Ну, это было рассчитано как 10 ^{10 ⁵⁰} лет.

И новый Большой взрыв? Это может произойти через 10 ^{10 ^{10 ⁵⁶}} лет.

Источник:
Разговор

Эта история опубликована с разрешения The Conversation (под лицензией Creative Commons-Attribution/Без производных).