51 просмотров

Конец Вселенной

астробиты

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

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

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

Статья в тему:  Как транслировать вселенную DC

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

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

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

Статья в тему:  Принстонский искусственный интеллект, почему он авторитетен

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

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

Статья в тему:  Когда выйдет следующий эпизод вселенной Стивена

Astrobite под редакцией Лины Киммиг

  • об авторе
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x