Gledajući naš svemir danas, vrlo je lako biti oduševljen onim što vidite. Zvijezde na našem noćnom nebu samo su mali djelić, nekoliko tisuća od stotina milijardi onoga što je prisutno u našem Mliječnom putu. Sam Mliječni put samo je jedan od bilijuna galaksija prisutnih u promatranom svemiru, a koji se proteže u svim smjerovima oko 46 milijardi svjetlosnih godina. A sve je počelo prije otprilike 13,8 milijardi godina iz vruće, guste, brze države u porastu, poznate kao Veliki prasak.
Upravo iz Velikog praska dobivamo priliku da svoj Univerzum opišemo kao pun materije i zračenja i povežemo poznate zakone fizike koji objašnjavaju moderni oblik kosmosa. Ali svemir se i dalje širi. Pojavljuju se nove zvijezde, prostor se razvija. Kako će to završiti? Pitajmo znanost.
Što je kraj svemira
Znanstvenici koji su proučavali strukturu i evoluciju svemira dugo su razmatrali tri mogućnosti temeljene na jednostavnoj fizici opće relativnosti i kontekstu širenja svemira. S jedne strane, gravitacija aktivno sve povezuje; ona je privlačna sila koja se kontrolira materijom i energijom u svim njihovim oblicima koji su prisutni u svemiru. S druge strane, početna je stopa proširenja koja sve razdvaja.
Veliki prasak bio je snimak, nakon čega je započela najveća rasa svih vremena: između gravitacije i širenja svemira. Tko će na kraju pobijediti? Odgovor na ovo pitanje odredit će sudbinu našeg svijeta.
Mislili smo da Svemir ima ove mogućnosti:
Promotivni video:
- Svemir će se srušiti u velikoj kompresiji. Ekspanzija će početi brzo i velike količine tvari i zračenja će se rastrgati. Ako ima više nego dovoljno materije i energije, svemir će se proširiti na određenu maksimalnu veličinu, širenje će preokrenuti kontrakciju i svemir će se ponovo urušiti.
- Svemir će se zauvijek proširiti i dovesti do Velikog smrzavanja. Sve će početi isto kao gore, ali ovaj put količina materije i energije neće biti dovoljna da se odupre širenju. Svemir će se zauvijek širiti kako brzina širenja i dalje opada, ali nikad ne doseže nulu.
- Širenje Svemira teži asimptotički do nule. Zamislite graničnu situaciju između dva gore navedena primjera. Još jedan proton - i kolabiramo; jedan manje - beskonačno se širimo. U ovom kritičnom slučaju, Svemir se širi zauvijek, ali s najmanjom mogućom brzinom.
Da bismo otkrili koja je opcija ispravna, samo smo trebali izmjeriti koliko se svemir brzo širi i kako se brzina širenja vremenom mijenjala. Ostalo je stvar fizike.
Ovo je bio jedan od najvećih izazova u astrofizici danas. Izmjerite brzinu kojom se svemir širio i saznajte kako se danas mijenja prostor prostora. Izmjerite kako se stopa ekspanzije mijenjala tijekom vremena i saznajte kako se tkanina prostora promijenila u prošlosti.
Kombinirajte ta dva podatka i kako se brzina širenja promijenila i što je to omogućit ćete da odredite od čega se svemir sastoji i u kojim proporcijama.
Koliko znamo, na temelju tih mjerenja utvrdili smo da se svemir sastoji od 0,01% zračenja, 0,1% neutrina, 4,9% obične materije, 27% tamne materije, 68% tamne energije. Ova potraga, koja je za neke započela još u 1920-ima, dobila je neočekivan odgovor krajem 1990-ih.
Dakle, ako tamna energija dominira širenjem svemira, što to znači za našu sudbinu? Sve ovisi o tome kako se - ili ako - s vremenom razvija tamna energija. Evo pet opcija.
Tamna energija je kozmološka konstanta koja dominira ekspanzijom. To je zadana postavka i uzima u obzir naše najbolje podatke. Dok materija postaje manje gusta kako se svemir širi, razrjeđuje se kako se volumen širi, tamna energija predstavlja ne-nultu količinu energije svojstvenu tkivu samog prostora. Kako se svemir širi, gustoća tamne energije ostaje konstantna, zbog čega širenje uvijek ostaje pozitivno.
To rezultira eksponencijalnim širenjem svemira i na kraju će gurnuti sve što nije dio naše lokalne skupine. Već 97% vidljivog Univerzuma postaje nepristupačno u takvim uvjetima.
Tamna energija je dinamična i vremenom postaje snažnija. Čini se da je tamna energija novi oblik energije koji je svojstven samom prostoru, što implicira da ima stalnu gustoću energije. Ali može se mijenjati i s vremenom. Jedan od mogućih načina promjene je da se ona postupno povećava, što će dovesti do ubrzanja brzine širenja svemira.
Udaljeni objekti neće se samo odmaknuti od nas, već će to činiti sve brže i brže. Što je još gore, objekti koji su sada gravitacijski vezani - poput grozdova galaksija, pojedinačnih galaksija, solarnog sustava, pa čak i atoma - jednoga će se dana odvezati dok se tamna energija stvrdne. U posljednjim trenucima postojanja svemira razdvojit će se subatomske čestice i sama tkanina prostora-vremena. Ova je sudbina - Veliki prokop - naša druga opcija.
Tamna energija je dinamična i vremenom slabi. Kako se drugačije može promijeniti tamna energija? Umjesto da ojača, može oslabiti. Naravno, brzina širenja u skladu je s stalnom količinom energije koja pripada samom prostoru, ali ta se gustoća energije također može smanjiti.
Ako oslabi na nulu, sve će naići na jednu od gore opisanih mogućnosti: Veliko smrzavanje. Svemir će se proširiti, ali bez dovoljno materije i drugih oblika energije koji bi mu pomogli da se opet uruši.
Ako propadanje postane negativno, moglo bi dovesti do druge mogućnosti: Velikog smanjenja. Svemir će biti ispunjen energijom svojstvenom prostoru, koja će iznenada promijeniti znakove i uzrokovati da se prostor sažme. Moguća je i ova opcija.
Tamna energija transformirat će se u drugi oblik energije koji pomlađuje svemir. Ako se tamna energija ne raspada, ali ostane konstantna ili se čak intenzivira, pojavljuje se druga mogućnost. Ta energija svojstvena tkanini prostora ne mora uvijek ostati u ovom obliku. Umjesto toga, može se pretvoriti u materiju i zračenje, slično onome što je bilo kad je završila kozmička inflacija i počeo Veliki prasak.
Ako tamna energija ostane konstantna do ove točke, stvorit će vrlo, vrlo hladnu i difuznu verziju žarulja Velikog praska, u kojoj se mogu stvoriti samo neutrini i fotoni. Ali ako se intenzitet tamne energije poveća, to bi moglo dovesti do stanja sličnog inflaciji, koje bi uslijedilo nakon novog, zaista vrućeg Velikog praska. To je najlakši način pomlađivanja Svemira danim parametrima.
Tamna energija povezana je s nultom energijom kvantnog vakuuma i raspadat će se, uništavajući naš svemir. Ovo je najrazornija prilika od svih. Što ako tamna energija nije stvarna količina praznog prostora u konfiguracijama s najnižom energijom, već je rezultat simetrija u ranom Svemiru, kada su bile u konfiguraciji s lažnim minimumom?
Ako je to slučaj, mora postojati način stvaranja kvantnog tunela u stanje niže energije promjenom zakona fizike i uklanjanjem svih vezanih stanja (tj. Čestica) kvantnih polja danas. Ako je kvantni vakuum u ovom smislu nestabilan, onda gdje god se ovo raspadne, rezultat će biti uništavanje svega u svemiru kroz mjehurić koji se širi brzinom svjetlosti. Ako takav signal dođe do nas, i mi ćemo završiti.
Iako ne znamo koja će od ovih mogućnosti biti istinita za naš Univerzum, podaci jednostavno nepristojno glasaju u korist prve opcije: tamna energija je zaista konstanta. Upravo su nam promatranja kako se svemir razvijao - posebno zahvaljujući kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju i strukturi svemira velikih razmjera - postavila stroga ograničenja koliko prostora za tamnu energiju mijenja.
Ilya Khel