Un ghid către imposibil, incredibil și miraculos.

Într-o mansardă abandonată, nu departe de British Museum:

Cornelius apucă o foaie goală de hârtie, o trecu prin rolă și începu să imprime. Punctul de pornire al poveștii sale a fost Big Bang-ul însuși, pe măsură ce cosmosul a pornit pe calea lui în continuă expansiune către viitor. După o scurtă explozie de inflație, Universul a fost aruncat într-o serie de tranziții de fază și a format un exces de materie față de antimaterie. În timpul acestei epoci primare, Universul nu conținea deloc structuri cosmice.

După un milion de ani și multe ramuri de hârtie, Cornelius a ajuns la vârsta stelelor - un moment în care stelele se nasc activ, trec prin ciclurile lor de viață și generează energie prin reacții nucleare. Acest capitol strălucitor se încheie pe măsură ce galaxiile rămân fără hidrogen gazos, formarea stelelor încetează și cele mai longevive pitice roșii se sting încet.

Tastând non-stop, Cornelius își introduce povestea în era decăderii, cu piticele maro, piticele albe, stele neutronice și găurile negre. În mijlocul acestui deșert înghețat, materia întunecată se adună încet în interiorul stelelor moarte și se anihilează în radiația care alimentează cosmosul. Dezintegrarea protonului intră în joc la sfârșitul acestui capitol, deoarece energia de masă a rămășițelor stelare degenerate se scurge încet, iar viața bazată pe carbon se stinge complet.

Când autorul obosit își continuă munca, singurii eroi ai poveștii sale sunt găurile negre. Dar găurile negre nu pot trăi pentru totdeauna. Emițând lumină la fel de slabă ca întotdeauna, aceste obiecte întunecate se evaporă într-un proces mecanic cuantic lent. În absența unei alte surse de energie, universul este forțat să se descurce cu această cantitate mică de lumină. După ce cele mai mari găuri negre s-au evaporat, amurgul de tranziție al epocii găurilor negre dă loc unei întuneric și mai profund.

La începutul capitolului final, Cornelius rămâne fără hârtie, dar nu timp. Nu mai există obiecte stelare în Univers, ci doar produse inutile rămase de la catastrofele cosmice anterioare. În această eră rece, întunecată și foarte îndepărtată a întunericului etern, activitatea cosmică încetinește vizibil. Nivelurile extrem de scăzute de energie sunt în concordanță cu intervale de timp uriașe. După tinerețea sa de foc și vârsta mijlocie vibrantă, universul prezent se strecoară încet în întuneric.

Pe măsură ce universul îmbătrânește, caracterul său se schimbă constant. În fiecare etapă a evoluției sale viitoare, Universul menține o varietate uimitoare de procese fizice complexe și alte comportamente interesante. Biografia noastră a universului, de la nașterea sa într-o explozie până la alunecarea sa lungă și treptată în întunericul etern, se bazează pe o înțelegere modernă a legilor fizicii și a minunilor astrofizicii. Datorită amplorii și minuțiozității erudiției moderne, această relatare prezintă cea mai probabilă viziune asupra viitorului pe care o putem forma.

Cifre mari nebunești

Când discutăm despre vasta gamă de comportamente exotice pe care universul le-ar putea avea în viitor, cititorul ar putea crede că orice s-ar putea întâmpla. Dar nu este. În ciuda abundenței posibilităților fizice, doar o mică parte din evenimentele posibile teoretic se vor întâmpla cu adevărat.

În primul rând, legile fizicii impun restricții stricte asupra oricărui comportament permis. Trebuie respectată legea conservării energiei totale. Legea conservării sarcinii electrice nu trebuie încălcată. Conceptul principal de ghidare este a doua lege a termodinamicii, care afirmă în mod formal că entropia totală a unui sistem fizic trebuie să crească. În linii mari, această lege sugerează că sistemele trebuie să evolueze în stări de dezordine crescândă. În practică, a doua lege a termodinamicii face ca căldura să curgă de la obiectele fierbinți la cele reci, și nu invers.

Dar chiar și în limitele proceselor permise de legile fizicii, multe evenimente care ar putea avea loc în principiu nu au loc niciodată. Un motiv comun este că pur și simplu durează prea mult, iar alte procese se întâmplă mai întâi pentru a le devansa. Un bun exemplu al acestei tendințe este procesul de fuziune la rece. După cum am observat deja în legătură cu reacțiile nucleare din interiorul stelelor, cel mai stabil dintre toate nucleele posibile este nucleul de fier. Multe nuclee mai mici, cum ar fi hidrogenul sau heliul, ar renunța la energia lor dacă s-ar putea uni într-un nucleu de fier. La celălalt capăt al tabelului periodic, nucleele mai mari, cum ar fi uraniul, ar renunța și la energia lor dacă ar putea fi împărțite în părți, iar din aceste părți ar putea forma un nucleu de fier. Fierul este cea mai scăzută stare de energie disponibilă pentru nuclee. Nucleele tind să rămână sub formă de fier, dar barierele energetice împiedică această conversie să aibă loc cu ușurință în majoritatea condițiilor. Pentru a depăși aceste bariere energetice, de regulă, sunt necesare fie temperaturi ridicate, fie perioade lungi de timp.

Luați în considerare o bucată mare de materie solidă, cum ar fi o rocă sau poate o planetă. Structura acestui corp solid nu se modifică din cauza forțelor electromagnetice obișnuite, cum ar fi cele implicate în legăturile chimice. În loc să-și păstreze compoziția nucleară inițială, materia s-ar putea, în principiu, să se rearanjeze astfel încât toate nucleele sale atomice să se transforme în fier. Pentru ca o astfel de restructurare a materiei să aibă loc, nucleele trebuie să învingă forțele electrice care țin această substanță în forma în care există și forțele electrice de respingere cu care nucleele acționează unul asupra celuilalt. Aceste forțe electrice creează o barieră energetică puternică, la fel ca bariera prezentată în Fig. 23. Din cauza acestei bariere, nucleele trebuie să se regrupeze prin tunel mecanic cuantic (odată ce nucleele pătrund în barieră, o atracție puternică inițiază fuziunea). Astfel, bucata noastră de materie ar arăta activitate nucleară. Având suficient timp, o piatră întreagă sau o planetă întreagă s-ar transforma în fier pur.

Cât ar dura o astfel de restructurare a nucleelor? Activitatea nucleară de acest tip ar transforma miezurile de rocă în fier în aproximativ mii cinci sute de decenii cosmologice. Dacă acest proces nuclear ar avea loc, excesul de energie ar fi emis în spațiu, deoarece nucleele de fier corespund unei stări energetice mai scăzute. Cu toate acestea, acest proces de fuziune nucleară rece nu va fi niciodată finalizat. Nici măcar nu începe cu adevărat. Toți protonii care alcătuiesc nucleul se vor descompune în particule mai mici cu mult înainte ca nucleele să fie transformate în fier. Chiar și cea mai lungă durată de viață posibilă a unui proton este mai mică de două sute de decenii cosmologice - mult mai scurtă decât durata uriașă de timp necesară pentru fuziunea la rece. Cu alte cuvinte, nucleele se vor degrada înainte de a avea șansa de a se transforma în fier.

Un alt proces fizic care durează prea mult pentru a fi considerat important pentru cosmologie este tunelul stelelor degenerate în găuri negre. Deoarece găurile negre sunt stările cu cea mai scăzută energie disponibile pentru stele, un obiect de tip pitică albă degenerată are mai multă energie decât o gaură neagră de aceeași masă. Astfel, dacă o pitică albă s-ar putea transforma spontan într-o gaură neagră, ar elibera excesul de energie. Cu toate acestea, o astfel de transformare nu are loc de obicei din cauza barierei energetice create de presiunea gazului degenerat, care menține existența unei pitice albe.

În ciuda barierei energetice, o pitică albă s-ar putea transforma într-o gaură neagră prin tunel mecanic cuantic. Datorită principiului incertitudinii, toate particulele (1057 sau cam asa ceva) care alcătuiesc o pitică albă ar putea cădea într-un spațiu atât de mic încât ar forma o gaură neagră. Cu toate acestea, acest eveniment întâmplător necesită un timp extrem de lung - aproximativ 10 76 de decenii cosmologice. Este imposibil să exagerăm dimensiunea cu adevărat uriașă a 1076 de decenii cosmologice. Dacă această perioadă de timp extrem de mare este scrisă în ani, obținem o unitate cu 1076 zerouri. S-ar putea să nu începem să scriem acest număr într-o carte: ar fi de ordinul unui zero pentru fiecare proton din universul modern vizibil, plus sau minus câteva ordine de mărime. Inutil să spun că protonii se vor descompune și piticele albe vor dispărea cu mult înainte ca Universul să atingă cel de-al 1076-lea deceniu cosmologic.

Ce se întâmplă de fapt în procesul de extindere pe termen lung?

În timp ce multe evenimente sunt practic imposibile, rămâne o gamă largă de posibilități teoretice. Cele mai largi categorii pentru comportamentul viitor al cosmosului se bazează pe dacă universul este deschis, plat sau închis. Un univers deschis sau plat se va extinde pentru totdeauna, în timp ce un univers închis va experimenta o re-contracție după o anumită perioadă de timp, care depinde de starea inițială a universului. Totuși, luând în considerare mai multe posibilități speculative, constatăm că evoluția viitoare a universului poate fi mult mai complexă decât sugerează această simplă schemă de clasificare.

Problema principală este că putem face doar măsurători fizice semnificative și, prin urmare, să tragem anumite concluzii despre regiunea locală a universului - partea limitată de orizontul cosmologic modern. Putem măsura densitatea totală a universului în această regiune locală, care are un diametru de aproximativ douăzeci de miliarde de ani lumină. Dar măsurătorile densității din acest volum local, din păcate, nu determină soarta pe termen lung a universului în ansamblu, deoarece universul nostru ar putea fi mult mai mare.

Să presupunem, de exemplu, că am putea măsura că densitatea cosmologică depășește valoarea necesară pentru a închide universul. Am ajunge la concluzia experimentală că în viitor universul nostru ar trebui să experimenteze o recomprimare. Universul ar fi trimis în mod clar printr-o secvență accelerată de dezastre naturale care duce la Big Crunch descris în secțiunea următoare. Dar asta nu este tot. Regiunea noastră locală a universului - partea pe care o observăm este inclusă în acest scenariu imaginar al Armaghedonului - ar putea fi imbricată într-o regiune mult mai mare, cu o densitate mult mai mică. În acest caz, doar o anumită parte a întregului Univers ar supraviețui compresiunii. Partea rămasă, care acoperă, probabil, cea mai mare parte a Universului, ar putea continua să se extindă la infinit.

Cititorul poate să nu fie de acord cu noi și să spună că o astfel de complicație este de puțin folos: propria noastră parte a Universului este încă destinată să supraviețuiască recomprimării. Oricum, lumea noastră nu va scăpa de distrugere și moarte. Cu toate acestea, această privire rapidă asupra imaginii de ansamblu ne schimbă în mod semnificativ perspectiva. Dacă universul mai mare supraviețuiește ca întreg, moartea zonei noastre locale nu este o astfel de tragedie. Nu vom nega că distrugerea unui oraș de pe Pământ, să zicem din cauza unui cutremur, este un eveniment teribil, dar totuși este departe de a fi atât de teribil ca distrugerea completă a întregii planete. În același mod, pierderea unei mici părți din întregul univers nu este la fel de devastatoare ca pierderea întregului univers. Procese fizice, chimice și biologice complexe se pot desfășura încă în viitorul îndepărtat, undeva în univers. Distrugerea universului nostru local ar putea fi doar o altă catastrofă într-o serie de dezastre astrofizice pe care viitorul le poate aduce: moartea Soarelui nostru, sfârșitul vieții pe Pământ, evaporarea și împrăștierea galaxiei noastre, dezintegrarea protonilor și prin urmare, distrugerea întregii materie obișnuită, evaporarea găurilor negre etc.

Supraviețuirea universului mare oferă o oportunitate pentru mântuire, fie călătorind efectiv pe distanțe lungi, fie o salvare substitutivă prin transmiterea de informații prin semnale luminoase. Această cale de evacuare poate fi dificilă sau chiar interzisă, în funcție de modul în care regiunea închisă a spațiu-timpului nostru local este combinată cu regiunea mai mare a Universului. Cu toate acestea, faptul că viața poate continua în altă parte menține speranța vie.

Dacă regiunea noastră locală se restrânge, este posibil să nu fie suficient timp pentru ca toate evenimentele astronomice descrise în această carte să aibă loc în partea noastră a universului. Cu toate acestea, în cele din urmă, aceste procese vor avea loc și în alt loc din Univers - departe de noi. Cât timp avem până când partea locală a Universului se re-comprima depinde de densitatea părții locale. Deși măsurătorile astronomice moderne indică faptul că densitatea sa este suficient de mică încât partea noastră locală a universului să nu se prăbușească deloc, s-ar putea să se ascundă materie invizibilă suplimentară în întuneric. Valoarea maximă posibilă a densității locale este de aproximativ de două ori valoarea necesară pentru ca partea locală a Universului să fie închisă. Dar chiar și cu această densitate maximă, universul nu poate începe să se contracte până când nu au trecut cel puțin douăzeci de miliarde de ani. Această constrângere de timp ne-ar oferi o întârziere de cel puțin încă cincizeci de miliarde de ani a versiunii locale a Big Crunch.

Poate apărea și un set opus de circumstanțe. Partea noastră locală a universului poate prezenta o densitate relativ scăzută și, prin urmare, se poate califica pentru viața veșnică. Cu toate acestea, acest petic local de spațiu-timp poate fi imbricat într-o zonă mult mai mare, cu o densitate mult mai mare. În acest caz, atunci când orizontul nostru cosmologic local devine suficient de mare pentru a include o regiune mai mare de densitate mai mare, universul nostru local va deveni parte dintr-un univers mai mare care este destinat să sufere recontracție.

Acest scenariu de distrugere necesită ca universul nostru local să aibă o geometrie cosmologică aproape plată, pentru că numai atunci rata de expansiune continuă să scadă constant. Geometria aproape plată permite regiunilor din ce în ce mai mari ale universului metascală (imaginea de ansamblu a universului) să influențeze evenimentele locale. Această zonă mare înconjurătoare trebuie doar să fie suficient de densă pentru a supraviețui în cele din urmă recomprimării. Trebuie să trăiască suficient de mult (adică să nu se prăbușească prea devreme) pentru ca orizontul nostru cosmologic să crească la scara mare necesară.

Dacă aceste idei sunt realizate în spațiu, atunci universul nostru local nu este deloc „la fel” cu regiunea mult mai mare a Universului care îl absoarbe. Astfel, la distanțe suficient de mari, principiul cosmologic ar fi clar încălcat: Universul nu ar fi același în fiecare punct al spațiului (omogen) și nu neapărat același în toate direcțiile (izotrop). Această potențialitate nu neagă utilizarea principiului cosmologic pentru a studia istoria trecutului (ca în teoria Big Bang), deoarece Universul este în mod clar omogen și izotrop în regiunea noastră locală de spațiu-timp, care este în prezent de aproximativ zece miliarde. ani lumină. Orice abateri potențiale de la omogenitate și izotropie se referă la dimensiuni mari, ceea ce înseamnă că pot apărea doar în viitor.

În mod ironic, putem pune limite naturii acelei regiuni mai mari a universului care se află în prezent în afara orizontului nostru cosmologic. Conform măsurătorilor, radiația cosmică de fond este extrem de omogenă. Cu toate acestea, diferențe mari de densitate a universului, chiar dacă ar fi în afara orizontului cosmologic, ar provoca cu siguranță pulsații în această radiație uniformă de fond. Deci, absența fluctuațiilor semnificative sugerează că orice perturbații semnificative de densitate așteptate trebuie să fie foarte departe de noi. Dar dacă perturbațiile mari de densitate sunt departe, atunci regiunea noastră locală a universului poate trăi suficient de mult înainte de a le întâlni. Cel mai timpuriu moment posibil în care diferențele mari de densitate vor avea un efect asupra părții noastre din univers va fi de aproximativ șaptesprezece decenii cosmologice. Dar, cel mai probabil, acest eveniment de schimbare a Universului va avea loc mult mai târziu. Conform celor mai multe versiuni ale teoriei Universului inflaționist, Universul nostru va rămâne omogen și aproape plat timp de sute și chiar mii de decenii cosmologice.

Strângere mare

Dacă Universul (sau o parte a acestuia) este închisă, atunci gravitația va triumfa asupra expansiunii și va începe contracția inevitabilă. Un astfel de univers în curs de recidivă ar ajunge într-un deznodământ de foc cunoscut sub numele de Strângere mare. Multe dintre vicisitudinile care marchează succesiunea temporală a unui univers contractant au fost luate în considerare pentru prima dată de Sir Martin Rees, acum astronom regal al Angliei. Când universul va fi cufundat în această mare finală, nu vor lipsi dezastrele.

Și deși universul se va extinde cel mai probabil pentru totdeauna, suntem mai mult sau mai puțin încrezători că densitatea universului nu depășește de două ori valoarea densității critice. Cunoscând această limită superioară, putem afirma că minim timpul posibil rămas înainte de prăbușirea universului în Big Crunch este de aproximativ cincizeci de miliarde de ani. Ziua Judecății este încă foarte departe de orice măsură umană a timpului, așa că probabil chiria ar trebui să continue să fie plătită în mod regulat.

Să presupunem că douăzeci de miliarde de ani mai târziu, când atinge dimensiunea maximă, universul experimentează o re-contracție. La acea vreme, universul ar fi de aproximativ de două ori mai mare decât este astăzi. Temperatura radiației de fond va fi de aproximativ 1,4 grade Kelvin: jumătate din valoarea de astăzi. După ce Universul s-a răcit la această temperatură minimă, prăbușirea ulterioară îl va încălzi pe măsură ce se deplasează rapid spre Big Crunch. Pe parcurs, în procesul acestei compresii, toate structurile create de Univers vor fi distruse: clustere, galaxii, stele, planete și chiar elementele chimice în sine.

La aproximativ douăzeci de miliarde de ani de la începutul recompresiei, universul va reveni la dimensiunea și densitatea universului modern. Și în cele patruzeci de miliarde de ani care au trecut, universul avansează cu aproximativ același tip de structură la scară largă. Stelele continuă să se nască, să evolueze și să moară. Stelele mici, eficiente din punct de vedere al combustibilului, precum vecina noastră apropiată Proxima Centauri, nu au suficient timp pentru a trece printr-o evoluție semnificativă. Unele galaxii se ciocnesc și se contopesc în clusterele lor părinte, dar cele mai multe rămân practic neschimbate. Este nevoie de o singură galaxie cu mult mai mult de patruzeci de miliarde de ani pentru a-și schimba structura dinamică. Prin inversarea legii de expansiune a lui Hubble, unele galaxii se vor apropia de galaxia noastră în loc să se îndepărteze de ea. Doar această tendință curioasă de schimbare în albastru va permite astronomilor să găsească o privire asupra catastrofei iminente.

Ciorchini separate de galaxii, împrăștiate în spațiu vast și legate lejer în bulgări și fire, vor rămâne intacte până când universul se va micșora la o dimensiune de cinci ori mai mică decât cea de astăzi. În momentul acestei conjuncții viitoare ipotetice, grupurile de galaxii fuzionează. În universul de astăzi, grupurile de galaxii ocupă doar aproximativ un procent din volum. Cu toate acestea, odată ce universul se micșorează la o cincime din dimensiunea sa actuală, clusterele umplu practic tot spațiul. Astfel, Universul va deveni un grup uriaș de galaxii, dar galaxiile însele din această eră își vor păstra totuși individualitatea.

Pe măsură ce contracția continuă, universul va deveni foarte curând de o sută de ori mai mic decât este astăzi. În această etapă, densitatea medie a universului va fi egală cu densitatea medie a galaxiei. Galaxiile se vor suprapune, iar stelele individuale nu vor mai aparține unei anumite galaxii. Apoi, întregul univers se va transforma într-o galaxie gigantică plină de stele. Temperatura de fundal a Universului, creată de radiația cosmică de fond, crește la 274 de grade Kelvin, apropiindu-se de punctul de topire al gheții. Datorită comprimării tot mai mari a evenimentelor după această epocă, este mult mai convenabil să continui povestea din pozițiile capătului opus al cronologiei: timpul rămas până la Big Crunch. Când temperatura universului atinge punctul de topire al gheții, universul nostru are zece milioane de ani de istorie viitoare.

Până în acest punct, viața pe planetele terestre continuă destul de independent de evoluția cosmosului care are loc în jur. De fapt, căldura cerului va topi în cele din urmă obiectele înghețate asemănătoare lui Pluto care plutesc la periferia fiecărui sistem solar și va oferi o ultimă șansă trecătoare ca viața să înflorească în Univers. Această primăvară relativ scurtă se va încheia pe măsură ce temperatura radiației de fond continuă să crească. Odată cu dispariția apei lichide în tot universul, mai mult sau mai puțin simultan, are loc o extincție în masă a întregii vieți. Oceanele fierb, iar cerul nopții devine mai strălucitor decât cerul de zi pe care îl vedem astăzi de pe Pământ. Cu doar șase milioane de ani rămase înainte de prăbușirea finală, orice formă de viață supraviețuitoare trebuie fie să rămână adânc în interiorul planetelor, fie să dezvolte mecanisme de răcire elaborate și eficiente.

După distrugerea finală, mai întâi a clusterelor și apoi a galaxiilor în sine, stelele sunt următoarele în linia de foc. Dacă nu s-ar întâmpla nimic altceva, stelele, mai devreme sau mai târziu, s-ar ciocni și s-ar distruge una pe cealaltă în fața unei compresii continue și distrugătoare. Cu toate acestea, o soartă atât de crudă le va ocoli, pentru că stelele se vor prăbuși într-un mod mai gradual, cu mult înainte ca universul să devină suficient de dens pentru a avea loc coliziuni stelare. Când temperatura radiației de fond care se micșorează continuu depășește temperatura de suprafață a unei stele, care este între patru și șase mii de grade Kelvin, câmpul de radiație poate schimba semnificativ structura stelelor. Și deși reacțiile nucleare continuă în interiorul stelelor, suprafețele lor se evaporă sub influența unui câmp de radiație extern foarte puternic. Astfel, radiația de fond este principalul motiv pentru distrugerea stelelor.

Când stelele încep să se evapore, dimensiunea universului este de aproximativ două mii de ori mai mică decât în ​​prezent. În această eră tulbure, cerul nopții arată la fel de strălucitor ca suprafața Soarelui. Scuritatea timpului rămas este greu de ignorat: cea mai puternică radiație ard orice îndoială că mai rămân mai puțin de un milion de ani până la sfârșit. Orice astronom cu pricepere tehnologică de a trăi pentru a vedea această epocă își va aminti poate cu uimire resemnată că ceaunul fierbinte al universului pe care îl observă - stele înghețate pe un cer la fel de strălucitor ca Soarele - este nimic mai puțin decât revenirea paradoxului lui Olbers al univers infinit de vechi și static.

Orice nuclee stelare sau pitici maro care supraviețuiesc acestei epoci de evaporare vor fi rupte în bucăți în cel mai neceremonios mod. Când temperatura radiației de fond atinge zece milioane de grade Kelvin, ceea ce este comparabil cu starea actuală a regiunilor centrale ale stelelor, orice combustibil nuclear rămas se poate aprinde și poate duce la cea mai puternică și spectaculoasă explozie. Astfel, obiectele stelare care reușesc să supraviețuiască evaporării vor contribui la atmosfera generală a sfârșitului lumii, transformându-se în fantastice bombe cu hidrogen.

Planetele din universul care se micșorează vor împărtăși soarta stelelor. Bilele uriașe de gaz, precum Jupiter și Saturn, se evaporă mult mai ușoare decât stelele și lasă în urmă doar nuclee centrale, care nu se pot distinge de planetele terestre. Orice apă lichidă s-a evaporat de mult de pe suprafețele planetelor și foarte curând atmosferele acestora îi vor urma exemplul. Rămân doar pustii sterpe și sterpe. Suprafețele stâncoase se topesc și straturile de rocă lichidă se îngroașă treptat, înghițind în cele din urmă întreaga planetă. Gravitația împiedică împrăștierea resturilor topite pe moarte și creează atmosfere grele de silicat, care, la rândul lor, se scurg în spațiul cosmic. Planetele care se evaporă, plonjând într-o flacără orbitoare, dispar fără urmă.

Pe măsură ce planetele părăsesc scena, atomii spațiului interstelar încep să se dezintegreze în nucleele și electronii lor constitutivi. Radiația de fundal devine atât de puternică încât fotonii (particulele de lumină) câștigă suficientă energie pentru a elibera electroni. Drept urmare, în ultimele câteva sute de mii de ani, atomii încetează să mai existe și materia se descompune în particule încărcate. Radiația de fundal interacționează puternic cu aceste particule încărcate, datorită cărora materia și radiația sunt strâns legate între ele. Fotonii de fundal cosmic, care călătoresc nestingheriți de aproape șaizeci de miliarde de ani de la recombinare, au lovit suprafața „următoarei” lor împrăștieri.

Rubiconul este traversat atunci când universul se micșorează la o zece miimi din dimensiunea actuală. În această etapă, densitatea radiațiilor depășește densitatea materiei - acesta a fost cazul imediat după Big Bang. Radiația începe să domine din nou Universul. Deoarece materia și radiația se comportă diferit, deoarece au suferit contracție, contracția ulterioară se schimbă ușor pe măsură ce universul experimentează această tranziție. Au mai rămas doar zece mii de ani.

Când au mai rămas doar trei minute înainte de compresia finală, nucleele atomice încep să se descompună. Această dezintegrare continuă până în ultima secundă, moment în care toate nucleele libere au fost distruse. Această epocă de anti-nucleosinteză este destul de diferită de nucleosinteza violentă care a avut loc în primele minute ale epocii primordiale. În primele minute ale istoriei cosmosului, s-au format doar cele mai ușoare elemente, în principal hidrogen, heliu și puțin litiu. În ultimele minute, o mare varietate de nuclee grele au fost prezente în spațiu. Nucleele de fier dețin cele mai puternice legături, astfel încât dezintegrarea lor necesită cea mai mare energie per particulă. Totuși, universul în scădere creează temperaturi și energii din ce în ce mai mari: mai devreme sau mai târziu, chiar și nucleele de fier vor muri în acest mediu nebun de distructiv. În ultima secundă a vieții Universului, nu rămâne un singur element chimic în el. Protonii și neutronii devin din nou liberi - ca în prima secundă a istoriei cosmosului.

Dacă în Univers rămâne măcar o parte de viață în această epocă, momentul distrugerii nucleelor ​​devine acea trăsătură, din cauza căreia nu se mai întorc. După acest eveniment, nu va mai rămâne nimic în univers care să semene chiar și de departe cu viața pământească bazată pe carbon. Nu va mai rămâne carbon în univers. Orice organism care reușește să supraviețuiască dezintegrarii nucleelor ​​trebuie să aparțină unei specii cu adevărat exotice. Poate că ființele bazate pe interacțiunea puternică ar putea vedea ultima secundă a vieții Universului.

Ultima secundă seamănă mult cu un film Big Bang prezentat invers. După dezintegrarea nucleelor, când doar o microsecundă separă Universul de moarte, protonii și neutronii înșiși se descompun, iar Universul se transformă într-o mare de quarci liberi. Pe măsură ce compresia continuă, universul devine mai fierbinte și mai dens, iar legile fizicii par să se schimbe în el. Când universul atinge o temperatură de aproximativ 10 15 grade Kelvin, forța nucleară slabă și forța electromagnetică se combină pentru a forma forța electroslabă. Acest eveniment este un fel de tranziție de fază cosmologică, care amintește vag de transformarea gheții în apă. Pe măsură ce ne apropiem de energiile superioare, apropiindu-ne de sfârșitul timpului, ne îndepărtăm de dovezile experimentale directe, prin care narațiunea, fie că ne place sau nu, devine mai speculativă. Și totuși continuăm. La urma urmei, universul mai are 10 -11 secunde de istorie.

Următoarea tranziție importantă are loc atunci când forța puternică se combină cu cea electroslabă. Acest eveniment se numește mare unire, combină trei dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii: forța nucleară puternică, forța nucleară slabă și forța electromagnetică. Această unificare are loc la o temperatură incredibil de ridicată de 10 28 de grade Kelvin, când universului mai are doar 10 -37 de secunde de trăit.

Ultimul eveniment major pe care îl putem marca pe calendarul nostru este unificarea gravitației cu celelalte trei forțe. Acest eveniment esențial are loc atunci când Universul care se contractă atinge o temperatură de aproximativ 10 32 de grade Kelvin și mai sunt doar 10 -43 de secunde înainte de Big Crunch. Această temperatură sau energie este de obicei numită Valoarea Planck. Din păcate, oamenii de știință nu au o teorie fizică auto-consistentă pentru o astfel de scară de energii, în care toate cele patru forțe fundamentale ale naturii sunt combinate într-una singură. Când această unificare a celor patru forțe are loc în timpul recomprimării, înțelegerea noastră actuală a legilor fizicii nu mai este adecvată. Ce se întâmplă în continuare, nu știm.

Reglarea fină a universului nostru

După ce ne uităm la evenimentele imposibile și incredibile, să ne oprim asupra celui mai extraordinar eveniment care s-a întâmplat - nașterea vieții. Universul nostru este un loc destul de confortabil pentru viață așa cum o știm. De fapt, toate cele patru ferestre astrofizice joacă un rol important în dezvoltarea sa. Planetele, cea mai mică fereastră a astronomiei, găzduiesc viața. Ele furnizează „vase Petri” în care viața poate apărea și evolua. Importanta stelelor este si ea evidenta: ele sunt sursa de energie necesara evolutiei biologice. Al doilea rol fundamental al stelelor este că, la fel ca alchimiștii, formează elemente mai grele decât heliul: carbon, oxigen, calciu și alte nuclee care alcătuiesc formele de viață cunoscute nouă.

Galaxiile sunt, de asemenea, extrem de importante, deși acest lucru nu este atât de evident. Fără influența obligatorie a galaxiilor, elementele grele produse de stele ar fi dispersate în tot universul. Aceste elemente grele sunt blocurile esențiale care formează planetele și toate formele de viață. Galaxiile, cu masele lor mari și atracția gravitațională puternică, împiedică împrăștierea gazului îmbogățit chimic rămas după moartea stelelor. Ulterior, acest gaz procesat anterior este inclus în generațiile viitoare de stele, planete și oameni. Astfel, atracția gravitațională a galaxiilor oferă o accesibilitate ușoară a elementelor grele pentru generațiile ulterioare de stele și pentru formarea planetelor stâncoase precum Pământul nostru.

Dacă vorbim despre cele mai mari distanțe, atunci Universul însuși trebuie să aibă proprietățile necesare pentru a permite apariția și dezvoltarea vieții. Și deși nu avem nimic care să se aseamănă nici pe departe cu o înțelegere completă a vieții și a evoluției ei, o cerință de bază este relativ sigură: durează mult timp. Apariția omului a durat aproximativ patru miliarde de ani pe planeta noastră și suntem gata să pariem că, în orice caz, trebuie să treacă cel puțin un miliard de ani pentru apariția vieții inteligente. Astfel, universul în ansamblu ar trebui să trăiască miliarde de ani pentru a permite vieții să evolueze, cel puțin în cazul unei biologii care seamănă chiar vag cu a noastră.

Proprietățile universului nostru în ansamblu fac, de asemenea, posibilă asigurarea unui mediu chimic propice dezvoltării vieții. Deși elementele mai grele precum carbonul și oxigenul sunt sintetizate în stele, hidrogenul este, de asemenea, o componentă vitală. Face parte din doi din cei trei atomi de apă, H 2 O, o componentă importantă a vieții de pe planeta noastră. Având în vedere ansamblul vast de universuri posibile și posibilele lor proprietăți, observăm că, în urma nucleosintezei primordiale, tot hidrogenul ar putea fi procesat în heliu și chiar în elemente mai grele. Sau universul s-ar fi putut extinde atât de repede încât protonii și electronii nu s-au întâlnit niciodată pentru a forma atomi de hidrogen. Oricum ar fi, Universul s-ar fi putut termina fără a crea atomii de hidrogen care alcătuiesc moleculele de apă, fără de care nu ar exista viață obișnuită.

Luând în considerare aceste considerații, devine clar că Universul nostru are într-adevăr caracteristicile necesare care ne permit existența. Având în vedere legile fizicii, determinate de valorile constantelor fizice, de mărimile forțelor fundamentale și de masele de particule elementare, Universul nostru creează în mod natural galaxii, stele, planete și viață. Dacă legile fizice ar avea o formă ușor diferită, universul nostru ar putea fi complet nelocuitor și extrem de sărac din punct de vedere astronomic.

Să ilustrăm puțin mai detaliat reglajul fin necesar al Universului nostru. Galaxiile, unul dintre obiectele astrofizice necesare vieții, se formează atunci când gravitația învinge expansiunea universului și provoacă contractarea regiunilor locale. Dacă forța gravitației ar fi mult mai slabă sau rata de expansiune cosmologică mult mai rapidă, atunci până acum nu ar mai exista o singură galaxie în spațiu. Universul ar continua să se disipeze, dar nu ar conține o singură structură legată gravitațional, cel puțin în acest moment al istoriei cosmosului. Pe de altă parte, dacă forța gravitațională ar fi avut o valoare mult mai mare sau rata de expansiune a cosmosului ar fi fost mult mai mică, atunci întregul Univers s-ar prăbuși din nou într-un Big Crunch cu mult înainte de a începe formarea galaxiilor. În orice caz, nu ar exista viață în universul nostru modern. Aceasta înseamnă că cazul interesant al unui univers plin de galaxii și alte structuri la scară mare necesită un compromis destul de subtil între forța gravitației și rata de expansiune. Și Universul nostru a realizat tocmai un astfel de compromis.

În ceea ce privește stele, reglarea fină necesară a teoriei fizice este asociată cu condiții și mai stricte. Reacțiile de fuziune care au loc în stele joacă două roluri cheie necesare pentru evoluția vieții: producerea de energie și producerea de elemente grele precum carbonul și oxigenul. Pentru ca stelele să-și joace rolul, trebuie să trăiască mult timp, să atingă temperaturi centrale suficient de ridicate și să fie suficient de comune. Pentru ca toate aceste piese ale puzzle-ului să cadă la locul lor, universul trebuie să fie înzestrat cu o gamă largă de proprietăți speciale.

Poate cel mai clar exemplu poate fi oferit de fizica nucleară. Reacțiile de fuziune și structura nucleară depind de amploarea interacțiunii puternice. Nucleele atomice există ca structuri legate, deoarece forța puternică este capabilă să mențină protonii aproape unul de celălalt, chiar dacă repulsia electrică a protonilor încărcați pozitiv tinde să rupă nucleul. Dacă forța puternică ar fi puțin mai slabă, atunci pur și simplu nu ar exista nuclee grele. Atunci nu ar exista carbon în Univers și, în consecință, nicio formă de viață bazată pe carbon. Pe de altă parte, dacă forța nucleară puternică ar fi și mai puternică, atunci doi protoni s-ar putea combina în perechi numite diprotoni. În acest caz, forța puternică ar fi atât de puternică încât toți protonii din univers s-ar combina în diprotoni sau chiar în structuri nucleare mai mari și pur și simplu nu ar mai rămâne hidrogen obișnuit. În absența hidrogenului, nu ar exista apă în univers și, prin urmare, nicio formă de viață cunoscută nouă. Din fericire pentru noi, universul nostru are cantitatea potrivită de forță puternică pentru a permite hidrogen, apă, carbon și alte ingrediente esențiale ale vieții.

În mod similar, dacă forța nucleară slabă ar avea o putere foarte diferită, ar afecta semnificativ evoluția stelară. Dacă interacțiunea slabă ar fi mult mai puternică, de exemplu, în comparație cu interacțiunea puternică, atunci reacțiile nucleare din interiorul stelelor s-ar desfășura cu rate mult mai mari, datorită cărora durata de viață a stelelor ar fi redusă semnificativ. Ar trebui să schimbăm și numele interacțiunii slabe. Universul are o oarecare întârziere în această chestiune din cauza gamei de mase stelare - stelele mici trăiesc mai mult și pot fi folosite pentru a conduce evoluția biologică în locul Soarelui nostru. Cu toate acestea, presiunea gazului degenerat (din mecanica cuantică) împiedică stelele să ardă hidrogen de îndată ce masa lor devine prea mică. Astfel, chiar și speranța de viață a celor mai longevive stele s-ar reduce serios. De îndată ce durata maximă de viață a unei stele scade sub pragul miliardului de ani, dezvoltarea vieții este imediat amenințată. Valoarea reală a interacțiunii slabe este de milioane de ori mai mică decât cea puternică, datorită căreia Soarele își arde hidrogenul lent și natural, care este necesar pentru evoluția vieții pe Pământ.

Apoi, luați în considerare planetele - cele mai mici obiecte astrofizice necesare vieții. Formarea planetelor necesită ca Universul să producă elemente grele și, în consecință, aceleași constrângeri nucleare care au fost deja descrise mai sus. În plus, existența planetelor necesită ca temperatura de fundal a universului să fie suficient de scăzută pentru ca solidele să se condenseze. Dacă Universul nostru ar fi doar de șase ori mai mic decât este acum și, prin urmare, de o mie de ori mai fierbinte, atunci particulele de praf interstelar s-ar evapora și pur și simplu nu ar exista materii prime pentru formarea planetelor stâncoase. În acest univers fierbinte ipotetic, chiar și formarea planetelor gigantice ar fi extrem de suprimată. Din fericire, universul nostru este suficient de rece pentru a permite formarea planetelor.

O altă considerație este stabilitatea pe termen lung a sistemului solar imediat de la formarea sa. În galaxia noastră modernă, atât interacțiunile, cât și întâlnirile stelare sunt atât rare, cât și slabe, din cauza densității foarte scăzute a stelelor. Dacă Galaxia noastră ar conține același număr de stele, dar ar fi de o sută de ori mai mică, densitatea crescută a stelelor ar duce la o probabilitate destul de mare ca o altă stea să intre în sistemul nostru solar, ceea ce ar distruge orbitele planetelor. O astfel de coliziune cosmică ar putea schimba orbita Pământului și ar face planeta noastră nelocuabilă sau ar putea arunca Pământul din sistemul solar. În orice caz, un astfel de cataclism ar însemna sfârșitul vieții. Din fericire, în galaxia noastră, timpul estimat pentru ca sistemul nostru solar să supraviețuiască unei coliziuni care modifică cursul depășește cu mult timpul necesar pentru ca viața să evolueze.

Vedem că Universul longeviv, care conține galaxii, stele și planete, necesită un set destul de special de constante fundamentale care determină valorile principalelor forțe. Deci, această reglare fină necesară ridică o întrebare de bază: de ce universul nostru are aceste proprietăți specifice care în cele din urmă dau naștere vieții? Căci faptul că legile fizice sunt tocmai de natură să permită existența noastră este o coincidență cu adevărat remarcabilă. Se pare că Universul știa cumva despre apariția noastră iminentă. Desigur, dacă condițiile ar fi oarecum diferite, pur și simplu nu am fi aici și nu ar fi nimeni care să se gândească la această problemă. Cu toate acestea, întrebarea „De ce?” aceasta nu dispare.

Înțelegând asta De ce legile fizice exact așa cum sunt, ne aduce la limita dezvoltării științei moderne. Au fost deja prezentate explicații preliminare, dar întrebarea rămâne deschisă. Încă din secolul al XX-lea, știința a oferit o bună înțelegere funcțională a Ce sunt legile noastre ale fizicii, putem spera că știința secolului XXI ne va oferi o înțelegere a ceea ce De ce legile fizice sunt exact așa. Câteva indicii în această direcție încep deja să apară, așa cum vom vedea în curând.

Eterna complexitate

Această aparență coincidență (că universul are tocmai acele proprietăți speciale care permit originea și evoluția vieții) pare mult mai puțin miraculoasă dacă acceptăm că universul nostru - regiunea spațiu-timp cu care suntem conectați - este doar unul dintre nenumăratele altele. universuri. Cu alte cuvinte, universul nostru este doar o mică parte multivers- un ansamblu imens de universuri, fiecare dintre ele având propriile versiuni ale legilor fizicii. În acest caz, totalitatea universurilor ar implementa toate numeroasele variante posibile ale legilor fizicii. Viața, însă, se va dezvolta numai în acele universuri particulare care au versiunea corectă a legilor fizice. Atunci devine evident faptul că s-a întâmplat să trăim în Univers cu proprietățile necesare vieții.

Să clarificăm diferența dintre „alte universuri” și „alte părți” ale universului nostru. Geometria la scară largă a spațiului-timp poate fi foarte complexă. În prezent, trăim într-o bucată omogenă a universului, al cărei diametru este de aproximativ douăzeci de miliarde de ani lumină. Această zonă reprezintă o parte a spațiului care poate avea un efect cauzal asupra noastră la un moment dat. Pe măsură ce universul se deplasează în viitor, aria spațiu-timp care ne poate afecta va crește. În acest sens, pe măsură ce îmbătrânim, universul nostru va conține mai mult spațiu-timp. Cu toate acestea, pot exista și alte regiuni ale spațiu-timp care nu nu va fi într-o relație cauzală cu partea noastră din Univers, indiferent cât de mult așteptăm și indiferent cât de vechi devine Universul nostru. Aceste alte zone cresc și evoluează destul de independent de evenimentele fizice care au loc în universul nostru. Astfel de regiuni aparțin altor universuri.

Odată ce admitem posibilitatea altor universuri, setul de coincidențe care există în universul nostru arată mult mai plăcut. Dar oare acest concept al existenței altor universuri are într-adevăr un asemenea sens? Este posibil să se încadreze în mod natural mai multe universuri în cadrul teoriei Big Bang, de exemplu, sau cel puțin extensiile sale rezonabile? În mod surprinzător, răspunsul este un da răsunător.

Andrey Linde, un eminent cosmolog rus în prezent la Stanford, a introdus noțiunea eternă inflație. În linii mari, această idee teoretică înseamnă că în orice moment o regiune a spațiu-timp, situată undeva în multivers, se confruntă cu o fază inflaționistă de expansiune. Conform acestui scenariu, spuma spațiu-timp, prin mecanismul inflației, creează continuu noi universuri (cum s-a discutat deja în primul capitol). Unele dintre aceste regiuni inflaționiste în expansiune vor evolua în universuri interesante, cum ar fi propria noastră porțiune locală de spațiu-timp. Ei au legi fizice care guvernează formarea galaxiilor, stelelor și planetelor. Unele dintre aceste zone pot dezvolta chiar și viață inteligentă.

Această idee are atât sens fizic, cât și un atractiv intrinsec semnificativ. Chiar dacă universul nostru, propria noastră regiune locală a spațiu-timpului, este destinat să moară o moarte lentă și dureroasă, vor exista întotdeauna alte universuri în jur. Întotdeauna va fi altceva. Dacă multiversul este privit dintr-o perspectivă mai largă, îmbrățișând întregul ansamblu de universuri, atunci poate fi considerat cu adevărat etern.

Această imagine a evoluției cosmice ocolește cu atenție una dintre cele mai îngrijorătoare întrebări care a apărut în cosmologia secolului al XX-lea: dacă universul a început într-un Big Bang în urmă cu doar zece miliarde de ani, ce s-a întâmplat înainte de acel Big Bang? Această întrebare dificilă a „ce a fost când încă nu era nimic” servește drept graniță între știință și filozofie, între fizică și metafizică. Putem extrapola legea fizică înapoi în timp până când universul avea doar 10 -43 de secunde, deși pe măsură ce ne apropiem de acest punct, incertitudinea cunoștințelor noastre va crește, iar epocile anterioare sunt în general inaccesibile metodelor științifice moderne. Cu toate acestea, știința nu stă pe loc, iar unele progrese încep deja să apară în acest domeniu. În contextul mai larg oferit de conceptul de multivers și inflație eternă, putem într-adevăr să formulăm răspunsul: înainte de Big Bang, a existat (și încă mai există!) o regiune spumoasă de spațiu-timp de înaltă energie. Din această spumă cosmică în urmă cu aproximativ zece miliarde de ani s-a născut propriul nostru Univers, care continuă să evolueze și astăzi. În mod similar, alte universuri se nasc în mod constant, iar acest proces poate continua la nesfârșit. Adevărat, acest răspuns rămâne puțin neclar și poate oarecum nesatisfăcător. Cu toate acestea, fizica a ajuns deja într-un punct în care putem cel puțin să începem să abordăm această întrebare de lungă durată.

Cu conceptul de multivers, ajungem la următorul nivel al revoluției copernicane. Așa cum planeta noastră nu are un loc special în sistemul nostru solar și sistemul nostru solar nu are un statut special în univers, tot așa universul nostru nu are un loc special în mixul cosmic gigantic de universuri care alcătuiesc multiversul.

Viziunea darwiniană asupra universurilor

Spațiul-timp al universului nostru devine din ce în ce mai complex pe măsură ce îmbătrânește. La început, imediat după Big Bang, Universul nostru a fost foarte neted și uniform. Astfel de condiții inițiale au fost necesare pentru ca universul să evolueze în forma sa actuală. Cu toate acestea, pe măsură ce Universul evoluează, ca urmare a proceselor galactice și stelare, se formează găuri negre, pătrunzând spațiu-timp cu singularitățile lor interne. Astfel, găurile negre creează ceea ce poate fi considerat găuri în spațiu-timp. În principiu, aceste singularități ar putea oferi și o legătură cu alte universuri. De asemenea, se poate întâmpla ca noi universuri să se nască în singularitatea unei găuri negre - universurile copil despre care am vorbit în capitolul 5. În acest caz, universul nostru poate da naștere unui nou univers conectat la al nostru printr-o gaură neagră.

Dacă acest lanț de raționament este urmat până la capătul logic, apare un scenariu extrem de interesant al evoluției universurilor în multivers. Dacă universurile pot da naștere unor noi universuri, atunci conceptele de ereditate, mutație și chiar selecție naturală pot apărea în teoria fizică. Acest concept de evoluție a fost apărat de Lee Smolin, fizician, specialist în relativitate generală și teoria cuantică a câmpurilor.

Să presupunem că singularitățile din interiorul găurilor negre pot da naștere altor universuri, așa cum este cazul nașterii unor noi universuri, despre care am discutat în capitolul anterior. Pe măsură ce evoluează, aceste alte universuri își pierd de obicei cauzalitatea din propriul nostru univers. Cu toate acestea, aceste noi universuri rămân conectate cu ale noastre printr-o singularitate situată în centrul găurii negre. - Să presupunem acum că legile fizicii din aceste noi universuri sunt similare cu legile fizicii din universul nostru, dar nu absolut. În practică, această afirmație înseamnă că constantele fizice, mărimile forțelor fundamentale și masele particulelor au valori similare, dar nu echivalente. Cu alte cuvinte, noul univers moștenește un set de legi fizice din universul părinte, dar aceste legi pot fi ușor diferite, ceea ce este foarte asemănător cu mutațiile genetice în timpul reproducerii florei și faunei Pământului. În acest cadru cosmologic, creșterea și comportamentul noului univers se vor asemăna, dar nu exact, cu evoluția universului părinte original. Astfel, această imagine a eredității universurilor este complet analogă cu imaginea formelor biologice de viață.

Odată cu ereditatea și mutația, acest ecosistem de universuri dobândește posibilitatea incitantă a schemei evolutive a lui Darwin. Din punct de vedere comologic-darwinian, universurile „de succes” sunt cele care creează un număr mare de găuri negre. Deoarece găurile negre sunt create de formarea și moartea stelelor și galaxiilor, aceste universuri de succes trebuie să conțină un număr mare de stele și galaxii. În plus, formarea găurilor negre necesită mult timp. Galaxiile din universul nostru sunt formate de ordinul a un miliard de ani; stele masive trăiesc și mor în perioade mai scurte de milioane de ani. Pentru a permite formarea unui număr mare de stele și galaxii, orice univers de succes trebuie să aibă nu numai valorile corecte ale constantelor fizice, ci și să fie relativ longeviv. Cu stele, galaxii și o viață lungă, universul poate permite vieții să evolueze. Cu alte cuvinte, universurile de succes au în mod automat aproape caracteristicile potrivite pentru apariția formelor biologice de viață.

Evoluția unui set complex de universuri în ansamblu este similară cu evoluția biologică de pe Pământ. Universurile de succes creează un număr mare de găuri negre și dau naștere unui număr mare de universuri noi. Acești „copii” astronomici moștenesc din universurile mame diferite tipuri de legi fizice cu modificări minore. Acele mutații care duc la formarea și mai multor găuri negre duc la producerea mai multor „copii”. Pe măsură ce acest ecosistem de universuri evoluează, universurile sunt cel mai des întâlnite, formând un număr incredibil de găuri negre, stele și galaxii. Aceste universuri au cele mai mari șanse pentru originea vieții. Universul nostru, indiferent de motiv, are exact caracteristicile care fac posibilă trăirea mult timp și formarea multor stele și galaxii: conform acestei vaste scheme darwiniene, propriul nostru univers are succes. Privit din această perspectivă extinsă, universul nostru nu este nici neobișnuit, nici fin reglat; este mai degrabă universul obișnuit și, prin urmare, cel așteptat. În timp ce această imagine a evoluției rămâne speculativă și controversată, oferă o explicație elegantă și convingătoare a motivului pentru care universul nostru are proprietățile pe care le observăm.

Depășirea limitelor timpului

În biografia cosmosului dinaintea voastră, am urmărit evoluția universului de la începutul său strălucitor, singular, prin cerurile calde și familiare ale timpurilor moderne, prin ciudate deșerturi înghețate, până la o eventuală distrugere finală în întunericul etern. Când încercăm să privim și mai adânc în abisul întunecat, abilitățile noastre de predicție se deteriorează semnificativ. Prin urmare, călătoriile noastre ipotetice prin spațiu-timp trebuie să se încheie, sau cel puțin să devină îngrozitor de incomplete, într-o epocă viitoare. În această carte, am construit o scară de timp care acoperă sute de decenii cosmologice. Pentru unii cititori, fără îndoială, li se va părea că am ajuns atât de departe în povestea noastră cu prea multă încredere, în timp ce alții se pot întreba cum ne-am putea opri într-un punct care, în comparație cu eternitatea, este atât de aproape de început.

De un lucru putem fi siguri. În drumul său spre întunericul viitorului, Universul arată o combinație minunată de efemeritate și imuabilitate, strâns împletite. Și în timp ce universul însuși va rezista testului timpului, practic nu va mai rămâne nimic în viitor care să semene chiar și de departe cu prezentul. Cea mai durabilă caracteristică a universului nostru în continuă evoluție este schimbarea. Și acest proces universal de schimbare continuă necesită o perspectivă cosmologică extinsă, cu alte cuvinte, o schimbare completă a modului în care privim cele mai mari scale. Deoarece universul este în continuă schimbare, trebuie să încercăm să înțelegem epoca cosmologică actuală, anul curent și chiar și astăzi. Fiecare moment al istoriei în desfășurare a cosmosului oferă o oportunitate unică, o șansă de a atinge măreția, o aventură de experimentat. Conform principiului temporal al lui Copernic, fiecare eră viitoare abundă de noi oportunități.

Cu toate acestea, nu este suficient să faci o afirmație pasivă despre inevitabilitatea evenimentelor și „fără să te întristezi, să se întâmple ceea ce ar trebui să se întâmple”. Un pasaj atribuit adesea lui Huxley spune că „dacă șase maimuțe sunt puse în spatele mașinilor de scris și li se permite să tasteze orice vor dori timp de milioane de ani, vor scrie, în timp, toate cărțile care se află la British Museum”. Aceste maimuțe imaginare au fost mult timp citate ca exemplu ori de câte ori se discută un gând obscur sau de nesuportat, ca confirmare a unor evenimente improbabile, sau chiar ca o subestimare implicită a marilor realizări ale mâinilor umane, cu indiciu că nu sunt altceva decât o întâmplare. printre marile eşecuri. La urma urmei, dacă se poate întâmpla ceva, cu siguranță se va întâmpla, nu?

Cu toate acestea, chiar și înțelegerea noastră a viitorului cosmosului, care este încă la început, dezvăluie absolut absurditatea acestui punct de vedere. Un calcul simplu sugerează că maimuțelor alese aleatoriu ar dura aproape jumătate de milion de decenii cosmologice (mulți mai mulți ani decât numărul de protoni din univers) pentru a crea aleatoriu o singură carte.

Universul este destinat să-și schimbe complet caracterul și de mai multe ori, înainte ca aceleași maimuțe să înceapă chiar să îndeplinească sarcina care le-a fost atribuită. În mai puțin de o sută de ani, aceste maimuțe vor muri de bătrânețe. În cinci miliarde de ani, Soarele, care s-a transformat într-o gigantă roșie, va arde Pământul și, odată cu el, toate mașinile de scris. În paisprezece decenii cosmologice, toate stelele din Univers se vor arde și maimuțele nu vor mai putea vedea cheile mașinilor de scris. Până în al XX-lea deceniu cosmologic, galaxia își va fi pierdut integritatea, iar maimuțele vor avea șanse foarte reale de a fi înghițite de gaura neagră din centrul galaxiei. Și chiar și protonii care alcătuiesc maimuțele și munca lor sunt destinați să se degradeze înainte de sfârșitul a patruzeci de decenii cosmologice: din nou, cu mult înainte ca munca lor herculeană să fi mers suficient de departe. Dar chiar dacă maimuțele ar putea supraviețui acestei catastrofe și își pot continua munca în strălucirea slabă emisă de găurile negre, eforturile lor ar fi totuși în zadar în al sutelea deceniu cosmologic, când ultimele găuri negre părăsesc Universul într-o explozie. Dar chiar dacă maimuțele ar fi supraviețuit acestei catastrofe și ar fi trăit, să zicem, până în al 15-lea deceniu cosmologic, ele ar fi obținut doar ocazia de a face față pericolului suprem al tranziției fazei cosmologice.

Și, deși până în al 15-lea deceniu cosmologic al maimuței, mașinile de scris și foile tipărite vor fi distruse de mai multe ori, timpul însuși, desigur, nu se va sfârși. Privind cu atenție în întunericul viitorului, suntem mai limitați de o lipsă de imaginație și poate de o inadecvare a înțelegerii fizice decât de un set foarte mic de detalii. Nivelurile mai scăzute de energie și lipsa aparentă de activitate care așteaptă universul sunt mai mult decât compensate de timpul crescut de care dispune. Putem privi cu optimism un viitor incert. Și, deși lumea noastră confortabilă este destinată să dispară, un număr imens dintre cele mai interesante evenimente fizice, astronomice, biologice și poate chiar intelectuale încă așteaptă în aripi, în timp ce Universul nostru își continuă drumul în întunericul etern.

Capsulă spațiu-timp

De câteva ori în timpul acestei biografii a universului, am întâlnit posibilitatea de a trimite semnale către alte universuri. Dacă am putea, de exemplu, să creăm un univers în laborator, i-am putea trimite un semnal criptat înainte ca acesta să-și piardă relația cauzală cu propriul nostru univers. Dar dacă ai putea trimite un astfel de mesaj, ce ai scrie în el?

Poate că ați dori să păstrați însăși esența civilizației noastre: artă, literatură și știință. Fiecare cititor va avea o idee despre ce părți ale culturii noastre ar trebui păstrate în acest fel. Deși fiecare ar avea propria părere în această privință, am proceda foarte necinstit dacă nu am face măcar o propunere pentru arhivarea unei părți a culturii noastre. Ca exemplu, oferim o versiune încapsulată a științei, sau mai precis a fizicii și astronomiei. Printre cele mai importante mesaje ar putea fi următoarele:

Materia este formată din atomi, care la rândul lor sunt formați din particule mai mici.

La distanțe scurte, particulele prezintă proprietățile unei unde.

Natura este guvernată de patru forțe fundamentale.

Universul este format dintr-un spațiu-timp în evoluție.

Universul nostru conține planete, stele și galaxii.

Sistemele fizice evoluează în stări de energie mai scăzută și dezordine crescândă.

Aceste șase puncte, al căror rol universal ar trebui să fie până acum clar, pot fi considerate comorile realizărilor noastre în științele fizice. Acestea sunt poate cele mai importante concepte fizice pe care civilizația noastră le-a descoperit până acum. Dar dacă aceste concepte sunt comori, atunci metoda științifică trebuie, fără îndoială, considerată încoronarea lor. Dacă există o metodă științifică, atunci având suficient timp și efort, toate aceste rezultate sunt obținute automat. Dacă ar fi posibil să transmitem unui alt univers doar un concept reprezentând realizările intelectuale ale culturii noastre, atunci cel mai valoros mesaj ar fi metoda științifică.

Ne ocupăm zilnic de compresie într-o formă sau alta. Când stoarcem apă dintr-un burete, împachetăm o valiză înainte de vacanță, încercând să umplem tot spațiul gol cu ​​lucrurile necesare, comprimăm fișierele înainte de a le trimite prin e-mail. Ideea de a elimina spațiul „gol” este foarte familiară.

Atât la scara cosmică, cât și la scară atomică, oamenii de știință au confirmat în mod repetat că vidul ocupă spațiul principal. Și totuși este extrem de surprinzător cât de adevărată este această afirmație! Când dr. Caleb A. Scharf de la Universitatea Columbia (SUA) scria noua sa carte „Universul zoomabil”, el, prin propria sa recunoaștere, plănuia să o folosească pentru un efect dramatic.

Ce-ar fi dacă am putea cumva să strângem toate stelele din Calea Lactee și să le stivuim una lângă alta ca niște mere strânse într-o cutie mare? Desigur, natura nu va permite niciodată unei persoane să controleze gravitația și, cel mai probabil, stelele se vor contopi într-o gaură neagră colosală. Dar, ca experiment de gândire, aceasta este o modalitate excelentă de a ilustra cantitatea de spațiu din galaxie.

Rezultatul este șocant. Presupunând că ar putea exista aproximativ 200 de miliarde de stele în Calea Lactee și presupunem cu generozitate că toate au diametrul Soarelui (ceea ce este o supraestimare, deoarece marea majoritate a stelelor sunt mai puțin masive și mai mici), am putea totuși asamblați-le într-un cub, a cărui lungime a fețelor corespunde la două distanțe de la Neptun la Soare.

„Există o cantitate imensă de spațiu gol în spațiu. Și asta mă duce la următorul nivel de nebunie”, scrie dr. Scharf. Conform universului observabil, definit de orizontul cosmic al mișcării luminii de la Big Bang, estimările actuale sugerează că există între 200 de miliarde și 2 trilioane de galaxii. Deși acest număr mare include toate micile „proto-galaxii” care vor fuziona în cele din urmă în galaxii mari.

Să fim îndrăzneți și să luăm cel mai mare număr dintre ele și apoi să împachetăm toate stelele din toate aceste galaxii. Pentru a fi impresionant de generos, să presupunem că au toate dimensiunea Căii Lactee (deși majoritatea sunt de fapt mult mai mici decât galaxia noastră). Vom obține 2 trilioane de cuburi, ale căror fețe vor avea 10 13 metri. Așezați aceste cuburi într-un cub mai mare și ne rămâne cu un megacub cu lungimea laterală de aproximativ 1017 metri.

Destul de mare, nu? Dar nu la scară cosmică. Diametrul Căii Lactee este de aproximativ 10 21 de metri, așa că un cub de 10 17 metri ocupă încă doar 1/10.000 din dimensiunea Galaxiei. De fapt, 10 17 metri înseamnă aproximativ 10 ani lumină!

Desigur, acesta este doar un mic truc. Dar indică efectiv cât de mic este volumul universului ocupat efectiv de materia densă în comparație cu golul spațiului, descris frumos de Douglas Adams: „Cosmosul este mare. Foarte mare. Pur și simplu nu o să crezi cât de vast, cât de vast, cât de uluitor de mare este cosmosul. Iată ce ne referim: ai putea crede că cel mai apropiat restaurant este departe, dar în spațiu nu înseamnă nimic. ("Ghidul autostopistului galactic").

Acea atracție gravitațională combinată a întregii sale materie va opri în cele din urmă expansiunea universului și va face ca acesta să se contracte. Datorită creșterii entropiei, modelul de contracție va fi foarte diferit de modelul de expansiune inversat în timp. În timp ce universul timpuriu era foarte omogen, universul contractant se va împărți în grupuri izolate separate. În cele din urmă, toată materia se prăbușește în găuri negre, care apoi se unesc, creând ca rezultat o singură gaură neagră - singularitatea Big Crunch.

Dovezi experimentale recente (și anume, observarea supernovelor îndepărtate ca obiecte de luminozitate standard (vezi Scala distanței în astronomie pentru mai multe detalii), precum și un studiu atent al radiației cosmice de fond cu microunde) conduc la concluzia că expansiunea Universului nu este încetinit de gravitație, ci, dimpotrivă, este accelerat. Cu toate acestea, din cauza naturii necunoscute a energiei întunecate, este încă posibil ca într-o zi accelerația să-și schimbe semnul și să provoace compresie.

Vezi si

• saritura mare
• Univers oscilant

Note

Fundația Wikimedia. 2010 .

• Marele jaf de tren
• Insula Mare

Vedeți ce înseamnă „Big Compression” în alte dicționare:

compresie fractală- Imaginea triunghiului Sierpinski definită prin trei transformări afine Compresia imaginii fractale este un algoritm de compresie a imaginii cu pierderi bazat pe utilizarea sistemelor de funcții iterate (IFS, de obicei ... ... Wikipedia

Viitorul Universului- Scenariul Big Crunch Viitorul Universului este o problemă luată în considerare în cadrul cosmologiei fizice. Diverse teorii științifice au prezis multe viitoare posibile, printre care există opinii atât despre distrugere, cât și despre ...... Wikipedia

Armaghedon- Acest termen are alte semnificații, vezi Armaghedon (sensuri). Ruinele din vârful Megiddo Armaghedon (un alt grecesc ... Wikipedia

Viitor- Acest termen are alte semnificații, vezi Viitorul (sensuri). Antonio Sant'Elia Desen urban într-un stil futurist Viitorul face parte din linia ... Wikipedia

viitorul- Partea viitoare a cronologiei, constând din evenimente care nu s-au întâmplat încă, dar care se vor întâmpla. Datorită faptului că evenimentele sunt caracterizate atât de timp, cât și de loc, viitorul ocupă regiunea continuumului spațiu-timp. Cuprins 1 ... ... Wikipedia

Model ciclic (cosmologie)- Modelul ciclic (în cosmologie) este una dintre ipotezele cosmologice. În acest model, Universul, care a apărut din singularitatea Big Bang-ului, trece printr-o perioadă de expansiune, după care interacțiunea gravitațională oprește expansiunea și ... ... Wikipedia

Ragnarok- Ragnarok. Desen de Johannes Gerts Ragnarök (Ragnarok, Ragnarök german... Wikipedia

Apocalipsa lui Ioan Evanghelistul- Solicitați redirecționări „Apocalipsa” aici; vezi și alte sensuri. Viziunea lui Ioan Evanghelistul. Miniatura din luxoasa carte de ore a Ducelui de Berry... Wikipedia

Eshatologia- (din greaca ἔσχατον „final”, „ultimul” + λόγος „cuvânt”, „cunoaștere”) un sistem de opinii și idei religioase despre sfârșitul lumii, răscumpărare și viața de apoi, despre soarta Universului și tranziția lui la o stare calitativ nouă. De asemenea... Wikipedia

Mare decalaj- Distrugerea galaxiei conform ipotezei Big Rip. Big Rip este o ipoteză cosmologică despre soarta Universului, care prezice colapsul (ruptura) întregii materie într-un timp finit. Validitatea acestei ipoteze este puternică ... ... Wikipedia

Cărți

• Rezistența materialelor. Atelier. Tutorial pentru software open source Cumpărați pentru 863 UAH (numai Ucraina)
• Rezistența materialelor. Atelier. Manual pentru bacalaureat academic, Atapin V.G. Manualul acoperă temele de bază ale disciplinei Rezistența materialelor: întindere și compresiune, torsiune, încovoiere, stare de efort-deformare, rezistență complexă,...

EXTENSIUNEA SAU COMPRESIA UNIVERSULUI?!

Retragerea galaxiilor una de cealaltă se explică în prezent prin expansiunea Universului, care a început din cauza așa-numitului „Big Bang”.

Pentru a analiza distanța dintre galaxii între ele, folosim următoarele proprietăți fizice și legi cunoscute:

1. Galaxiile se rotesc în jurul centrului metagalaxiei, făcând o revoluție în jurul centrului metagalaxiei în 100 de trilioane de ani.

În consecință, metagalaxia este o torsiune gigantică, în care funcționează legile gravitației vortexului și mecanicii clasice (capitolul 3.4).

2. Întrucât Pământul își mărește masa, este permis să presupunem că toate celelalte corpuri cerești sau sistemele lor (galaxii), sub influența propriei gravitații, își măresc și masa, în conformitate cu legile prezentate în capitolul 3.5. Apoi, pe baza formulelor din același capitol, este evident că galaxiile ar trebui să se deplaseze în spirală, spre centrul metagalaxiei, cu o accelerație invers proporțională cu distanța până la centrul metagalaxiei sau cu o creștere a masa galaxiilor.

Accelerația radială a galaxiilor atunci când se deplasează spre centrul metagalaxiei le face să se îndepărteze una de cealaltă, ceea ce a fost înregistrat de Hubble și care, până acum, a fost calificat în mod eronat ca o expansiune a Universului.

Astfel, pe baza celor de mai sus, concluzia este următoarea:

Universul nu se extinde, ci mai degrabă în spirală sau se contractă.

Este probabil ca o gaură neagră metagalactică să fie situată în centrul metagalaxiei, deci este imposibil să o observăm.

Când galaxiile se rotesc în jurul centrului metagalaxiei pe o orbită inferioară, viteza mișcării orbitale a acestor galaxii trebuie să fie mai mare decât cea a galaxiilor care se deplasează pe o orbită superioară. În acest caz, galaxiile, la anumite mega intervale de timp, ar trebui să se apropie una de cealaltă.

În plus, stelele care au înclinații ale propriilor orbite față de torsiunea galactică, gravitațională, trebuie să se îndepărteze de centrul galaxiei (vezi cap. 3.5). Aceste circumstanțe explică apropierea galaxiei M31 de noi.

În stadiul inițial al apariției torsiunii cosmice, aceasta trebuie să fie în starea de găuri negre (vezi cap. 3.1). În această perioadă, torsiunea cosmică își maximizează masa relativă. În consecință, vectorul mărime și viteză al acestei torsiuni (BH) are, de asemenea, modificări maxime. Adică, găurile negre au un caracter de mișcare care nu corespunde semnificativ mișcării corpurilor cosmice învecinate.

Acum a fost descoperită o gaură neagră care se apropie de noi. Mișcarea acestei găuri negre se explică prin dependența de mai sus.

Trebuie remarcate contradicțiile ipotezei Big Bang, care, din motive necunoscute, nu sunt luate în considerare de știința modernă:

Conform legii a 2-a a termodinamicii, sistemul (Universul), lăsat singur (după explozie) se transformă în haos și dezordine.

De fapt, armonia și ordinea observate în univers sunt contrare acestei legi,

Orice particulă explodat cu o forță uriașă trebuie să aibă doar o direcție rectilinie și radială a propriei mișcări.

Rotația generală în spațiul cosmic a tuturor corpurilor cerești sau a sistemelor lor în jurul centrului lor sau a altor corpuri, inclusiv a metagalaxiei, respinge complet natura inerțială a mișcării obiectelor spațiale obținute în urma exploziei. În consecință, sursa de mișcare a tuturor obiectelor spațiale nu poate fi o explozie.

• - Cum s-au putut forma goluri intergalactice uriașe în spațiul cosmic după Big Bang?!
• - conform modelului general acceptat al lui Friedman, cauza „Big Bang-ului” a fost comprimarea universului la dimensiunea sistemului solar. Ca rezultat al acestei compactări supra-gigant a materiei cosmice, a avut loc „Big Bang-ul”.

Adepții ideii „Big Bang” tac cu privire la absurditatea evidentă a acestei ipoteze - cum ar putea Universul infinit să se micșoreze și să se potrivească într-un volum limitat, egal cu dimensiunea sistemului solar!?

Cea mai proeminentă teorie a modului în care a început Universul Big Bang, unde toată materia a existat mai întâi ca o singularitate, un punct infinit de dens într-un spațiu mic. Apoi ceva a făcut-o să explodeze. Materia s-a extins într-un ritm incredibil și a format în cele din urmă universul pe care îl vedem astăzi.

Big Crunch este, după cum probabil ați ghicit, opusul Big Bang-ului. Tot ceea ce este împrăștiat în jurul marginilor universului va fi comprimat sub influența gravitației. Conform acestei teorii, gravitația va încetini expansiunea cauzată de Big Bang și în cele din urmă totul va cădea înapoi la un punct.

1. Inevitabila moarte termică a Universului.

Gândiți-vă la moartea prin căldură ca fiind exact opusul Big Crunch-ului. În acest caz, forța gravitației nu este suficient de puternică pentru a depăși expansiunea, deoarece universul pur și simplu continuă să se extindă exponențial. Galaxiile se îndepărtează una de alta ca niște îndrăgostiți nefericiți, iar noaptea atotcuprinzătoare dintre ele devine din ce în ce mai largă.

Universul respectă aceleași reguli ca orice sistem termodinamic, ceea ce ne va conduce în cele din urmă la faptul că căldura este distribuită uniform în tot universul. În cele din urmă, întregul univers se va stinge.

1. Moartea prin căldură din găurile negre.

Conform teoriei populare, cea mai mare parte a materiei din univers se învârte în jurul găurilor negre. Priviți doar galaxiile care conțin găuri negre supermasive în centrul lor. O mare parte din teoria găurii negre implică absorbția stelelor sau chiar a galaxiilor întregi pe măsură ce intră în orizontul evenimentelor găurii.

În cele din urmă, aceste găuri negre vor absorbi cea mai mare parte a materiei și vom rămâne într-un univers întunecat.

1. Sfârșitul timpului.

Dacă ceva este etern, atunci cu siguranță este timpul. Indiferent dacă universul există sau nu, timpul continuă. Altfel, nu ar exista nicio modalitate de a distinge un moment de altul. Dar dacă timpul se pierde și pur și simplu îngheață? Dacă nu mai sunt momente? Exact în același moment în timp. Pentru totdeauna.

Să presupunem că trăim într-un univers în care timpul nu se termină niciodată. Cu o perioadă infinită de timp, tot ce se poate întâmpla se întâmplă cu 100 la sută probabilitate. Paradoxul se va întâmpla dacă ai viața veșnică. Trăiești la infinit, așa că orice lucru care poate fi garantat se va întâmpla (și se întâmplă de un număr infinit de ori). Se poate întâmpla și timpul de oprire.

1. Coliziune mare.

Big Collision este similar cu Big Squeeze, dar mult mai optimist. Imaginați-vă același scenariu: gravitația încetinește expansiunea universului și totul se restrânge într-un singur punct. În această teorie, forța acestei contracții rapide este suficientă pentru a începe un alt Big Bang și Universul începe din nou.

Fizicienilor nu le place această explicație, așa că unii oameni de știință susțin că universul poate să nu se întoarcă până la singularitate. În schimb, se va comprima foarte tare și apoi va reveni cu o forță similară cu cea care respinge o minge când o lovești pe podea.

1. Mare decalaj.

Indiferent cum se termină lumea, oamenii de știință nu simt încă nevoia să folosească cuvântul (teribil de subestimat) „mare” pentru a-l descrie. În această teorie, forța invizibilă se numește „energie întunecată”, ea determină accelerarea expansiunii universului, ceea ce observăm. În cele din urmă, vitezele vor crește atât de mult încât materia va începe să se spargă în particule mici. Dar există o latură bună a acestei teorii, cel puțin Big Rip va trebui să aștepte încă 16 miliarde de ani.

1. Efectul de metastabilitate a vidului.

Această teorie depinde de ideea că universul existent se află într-o stare extrem de instabilă. Dacă te uiți la semnificațiile particulelor de fizică cuantică, atunci poți presupune că universul nostru este în pragul stabilității.

Unii oameni de știință sugerează că peste miliarde de ani universul va fi în pragul distrugerii. Când se întâmplă asta, la un moment dat în univers, va apărea o bulă. Gândește-te la el ca la un univers alternativ. Această bulă se va extinde în toate direcțiile cu viteza luminii și va distruge tot ce atinge. În cele din urmă, această bulă va distruge totul în univers.

1. Bariera timpului.

Deoarece legile fizicii nu au sens într-un multivers infinit, singura modalitate de a înțelege acest model este să presupunem dacă există o graniță reală, granița fizică a universului și nimic nu poate depăși. Și în conformitate cu legile fizicii, în următoarele 3,7 miliarde de ani, vom trece bariera timpului, iar universul se va sfârși pentru noi.

1. Nu se va întâmpla (pentru că trăim într-un multivers).

Conform scenariului multivers, cu universuri infinite, aceste universuri pot apărea în sau din cele existente. Ele pot apărea din Big Bang, pot fi distruse de Big Squeezes sau Breaks, dar nu contează, deoarece vor exista întotdeauna mai multe Universuri noi decât cele distruse.

1. Universul etern.

Ah, ideea veche că universul a fost întotdeauna și va fi întotdeauna. Acesta este unul dintre primele concepte pe care oamenii le-au creat despre natura universului, dar există și o nouă întorsătură în această teorie care sună puțin mai interesant, ei bine, serios.

În loc de singularitatea și Big Bang-ul care a început timpul însuși, timpul ar fi putut exista mai devreme. În acest model, universul este ciclic și va continua să se extindă și să se contracte pentru totdeauna.

În următorii 20 de ani, vom putea spune cu o mai mare certitudine care dintre aceste teorii este cel mai în concordanță cu realitatea. Și poate vom găsi răspunsul la întrebarea cum a început Universul nostru și cum se va sfârși.