Pri pohľade na náš vesmír dnes je veľmi ľahké byť potešený tým, čo vidíte. Hviezdy na našej nočnej oblohe sú iba malou časťou, niekoľko tisíc zo stoviek miliárd toho, čo je prítomné v našej Mliečnej ceste. Samotná Mliečna dráha je len jednou z biliónov galaxií prítomných v pozorovateľnom vesmíre, ktorý sa tiahne vo všetkých smeroch asi 46 miliárd svetelných rokov. Všetko to začalo asi pred 13,8 miliardami rokov z horúceho, hustého, rýchleho a expandujúceho štátu známeho ako Veľký tresk.
Práve z Veľkého tresku dostávame príležitosť opísať náš vesmír ako plný hmoty a žiarenia a prepojiť známe fyzikálne zákony vysvetľujúce modernú formu vesmíru. Vesmír sa však naďalej rozširuje. Objavujú sa nové hviezdy, priestor sa vyvíja. Ako to skončí? Spýtajme sa vedy.
Aký je koniec vesmíru
Vedci, ktorí študovali štruktúru a vývoj vesmíru, dlho uvažovali o troch možnostiach založených na jednoduchej fyzike všeobecnej relativity a kontexte rozširovania vesmíru. Na jednej strane gravitácia všetko aktívne spája; je to príťažlivá sila ovládaná hmotou a energiou vo všetkých ich formách, ktoré sú prítomné vo vesmíre. Na druhej strane existuje počiatočná miera expanzie, ktorá všetko oddeľuje.
Veľký tresk bol výstrel, po ktorom sa začala najväčšia rasa všetkých čias: medzi gravitáciou a expanziou vesmíru. Kto nakoniec vyhrá? Odpoveď na túto otázku určí osud nášho sveta.
Mysleli sme si, že vesmír má tieto možnosti:
Propagačné video:
- Vesmír sa zrúti vo Veľkej kompresii. Expanzia sa začne rýchlo a veľké množstvo látky a žiarenia sa roztrhne. Ak existuje viac ako dosť hmoty a energie, vesmír sa rozšíri do určitej maximálnej veľkosti, expanzia zvráti kontrakciu a vesmír sa znova rozpadne.
- Vesmír sa navždy rozšíri a povedie k Veľkému mrazu. Všetko sa spustí rovnako ako vyššie, ale tentoraz množstvo hmoty a energie nebude stačiť, aby odolalo expanzii. Ako bude expanzia naďalej klesať, vesmír sa bude navždy rozširovať, ale nikdy nedosiahne nulu.
- Expanzia vesmíru má tendenciu asymptoticky na nulu. Predstavte si hraničnú situáciu medzi vyššie uvedenými dvoma príkladmi. Ešte jeden protón - a my sa zrútime; o jednu menej - nekonečne sa rozširujeme. V tomto kritickom prípade sa vesmír rozširuje naveky, ale pri najnižšej možnej rýchlosti.
Aby sme zistili, ktorá možnosť je správna, museli sme zmerať, ako rýchlo sa vesmír rozširuje a ako sa miera expanzie v priebehu času menila. Zvyšok je vecou fyziky.
Toto bola jedna z najväčších výziev dnešnej astrofyziky. Zmerajte rýchlosť, akou sa vesmír rozširoval a zistite, ako sa štruktúra vesmíru mení dnes. Zmerajte, ako sa miera expanzie v priebehu času menila, a zistite, ako sa v minulosti zmenila štruktúra priestoru.
Kombinácia týchto dvoch informácií a toho, ako sa zmenila miera expanzie a čo to bolo, vám umožní určiť, z čoho je vesmír vyrobený a v akom pomere.
Pokiaľ vieme, na základe týchto meraní sme zistili, že vesmír pozostáva z 0,01% žiarenia, 0,1% neutrína, 4,9% obyčajnej hmoty, 27% tmavej hmoty, 68% tmavej energie. Táto úloha, ktorá sa pre niektorých začala už v 20. rokoch 20. storočia, dostala na konci 90. rokov neočakávanú odpoveď.
Takže ak temná energia dominuje expanzii vesmíru, čo to znamená pre náš osud? Všetko záleží na tom, ako - alebo či - sa temná energia vyvíja v priebehu času. Tu je päť možností.
Temná energia je kozmologická konštanta dominujúca v expanzii. Toto je predvolené nastavenie a zohľadňujú sa naše najlepšie údaje. Kým hmota klesá, keď sa vesmír rozširuje, riedi sa, ako sa objem zväčšuje, temná energia predstavuje nenulové množstvo energie, ktoré je vlastné látke samotného priestoru. Ako sa vesmír rozširuje, hustota temnej energie zostáva konštantná, čo spôsobuje, že expanzia zostane vždy pozitívna.
To má za následok exponenciálne sa rozširujúci vesmír a nakoniec vytlačí všetko, čo nie je súčasťou našej miestnej skupiny. Už 97% viditeľného vesmíru sa za takýchto podmienok stane nedostupným.
Temná energia je dynamická a postupom času sa stáva silnejšou. Temná energia sa javí ako nová forma energie, ktorá je súčasťou samotného vesmíru, čo znamená, že má konštantnú hustotu energie. Ale môže sa tiež časom meniť. Jedným z možných spôsobov zmeny je to, že sa postupne zvyšuje, čo vedie k zrýchleniu tempa rozširovania vesmíru.
Vzdialené objekty sa od nás nielen vzdialia, ale aj rýchlejšie a rýchlejšie. Horšie je, že objekty, ktoré sú teraz gravitačne viazané - napríklad zhluky galaxií, jednotlivé galaxie, slnečné systémy a dokonca aj atómy - sa jedného dňa zrušia, pretože temná energia stvrdne. V posledných okamihoch existencie vesmíru sa roztrhnú subatomárne častice a štruktúra samotného vesmíru. Tento osud - Big Rip - je naša druhá možnosť.
Temná energia je dynamická a postupom času slabne. Ako inak sa môže temná energia zmeniť? Namiesto posilnenia to môže oslabiť. Miera expanzie je samozrejme v súlade s konštantným množstvom energie, ktorá patrí do samotného priestoru, ale táto hustota energie sa môže tiež znížiť.
Ak oslabí na nulu, všetko príde k jednej z vyššie uvedených možností: The Great Freeze. Vesmír sa bude rozširovať, ale bez dostatočného množstva hmoty a iných foriem energie, ktoré mu znova pomôžu.
Ak sa úpadok zmení na negatívny, môže to viesť k inej možnosti: Veľkému zmršteniu. Vesmír bude naplnený energiou obsiahnutou vo vesmíre, ktorá náhle zmení znamenia a spôsobí kontraktovanie priestoru. Táto možnosť je tiež možná.
Temná energia sa zmení na inú formu energie, ktorá omladí vesmír. Ak sa temná energia nerozpadne, ale zostane konštantná alebo sa dokonca zosilní, vzniká iná možnosť. Táto energia obsiahnutá v štruktúre vesmíru nemusí vždy zostať v tejto podobe. Namiesto toho sa môže zmeniť na hmotu a žiarenie, podobne ako to bolo po skončení kozmickej inflácie a začiatku Veľkého tresku.
Ak temná energia zostane až do tohto bodu konštantná, vytvorí veľmi, veľmi chladnú a rozptýlenú verziu žiariaceho veľkého tresku, v ktorej sa môžu tvoriť iba neutrína a fotóny. Ak sa však intenzita temnej energie zvýši, môže to viesť k stavu podobnému inflácii, po ktorom bude nasledovať nový, skutočne horúci Veľký tresk. Toto je najjednoduchší spôsob, ako omladiť vesmír danými parametrami.
Temná energia je spojená s nulovou energiou kvantového vákua a bude sa rozpadávať, čo ničí náš vesmír. Toto je najničivejšia príležitosť všetkých. Čo ak temná energia nie je skutočným množstvom prázdneho priestoru v konfiguráciách s najnižšou energiou, ale je výsledkom symetrie v ranom vesmíre, keď boli v konfigurácii s nesprávnym minimom?
Ak áno, musí existovať spôsob, ako vytvoriť kvantový tunel do stavu nižšej energie zmenou fyzikálnych zákonov a odstránením všetkých viazaných stavov (t. J. Častíc) kvantových polí dnes. Ak je kvantové vákuum v tomto zmysle nestabilné, potom kdekoľvek nastane tento úpadok, výsledkom bude zničenie všetkého vo vesmíre prostredníctvom bubliny, ktorá sa šíri rýchlosťou svetla. Ak sa k nám taký signál dostane, skončíme aj my.
Aj keď nevieme, ktorá z týchto možností bude platiť pre náš vesmír, dáta jednoducho horúčkovite hlasujú za prvú možnosť: temná energia je v skutočnosti konštanta. Naše pozorovania vývoja vesmíru práve teraz - najmä vďaka kozmickému mikrovlnnému žiareniu v pozadí a rozsiahlej štruktúre vesmíru - kladú vážne obmedzenia, o koľko krútia sa priestor pre zmenu temnej energie.
Ilja Khel