Takhle skončí vesmír podle astrofyzika

"Naše rozjímání o vesmíru nás vzrušuje," řekl jednou zesnulý astronom Carl Sagan. "Je tu brnění v páteři, chvění v hlase, slabý pocit, jako by vzdálená vzpomínka na pád z velké výšky." Pokud vám přemítání o vesmíru běhá mráz po zádech, pomyšlení na jeho konec vás může vyvolat zemětřesení.

Ve své nové knize Konec všeho: (astrofyzikálně řečeno), teoretická astrofyzička Dr. Katie Mack začíná Velkým třeskem – teorií vzniku vesmíru. Její začátek může kosmologům, jako je ona, hodně napovědět o jejím nevyhnutelném konci. Vesele provádí čtenáře pěti astrofyzickými apokalypsami: Velkým křupáním, tepelnou smrtí, velkým trháním, rozpadem vakua a velkým odrazem. Aby vám Mack neuvízl v kvark-gluonovém plazmatu (nebojte se, ona to vysvětluje), udržuje Mack vše přístupné a konverzační. Je to mnohem zábavnější, než byste čekali, že kniha o konci vesmíru bude. Nenechte se srazit existenciální hrůzou končící vesmír, zdá se, že říká.

Mluvili jsme s Mackem o temné energii versus temné hmotě, o tom, jak nás teleskopy doslova umožňují nahlédnout do minulosti a o podivnostech vesmíru.

(Tato konverzace byla kvůli přehlednosti lehce upravena.)

Digitální trendy: Co vás vedlo k napsání této knihy?

Mack: V průběhu let jsem studoval spoustu různých věcí v oblasti kosmologie, obecně. Kosmologie tedy pokrývá, víte, vesmír jako celek a jeho součásti a jeho vývoj. Pracoval jsem na raném vesmíru. Pracoval jsem na temné hmotě, černých dírách, evoluci galaxií, na všech takových věcech. A v poslední době mě hodně zajímá konec vesmíru. a tak nějak tato kniha vznikla.

Vaše kniha nabízí velmi dostupné vysvětlení toho, jak jsme schopni pozorovat Velký třesk. Můžeš nám to projít?

Myšlenka je tedy taková, že pokud se vesmír aktuálně rozpíná – což pozorujeme, vidíme galaxie pohybující se od sebe – pak je logické, že v minulosti byl vesmír více stlačený. Takže všechno bylo blíž k sobě. A můžete to prodloužení vytočit zpět a dostanete se do bodu, kdy bylo všechno tak nějak na sobě.

Takže jak se vesmír rozpíná, ochlazuje se, hmota se více rozptýlí, energie se rozšíří. V minulosti musela být teplejší a hustší a v jistém smyslu menší než dnes. Takže to je v podstatě Teorie velkého třesku. To je nejzjednodušenější tvrzení teorie velkého třesku, jen že vesmír byl v minulosti žhavější, menší a hustší.

A pokud je to tak, pak je také logické, že pokud se podíváte dostatečně daleko, díváte se stále dále a dále zpět v čase, protože světlo trvá, než k vám cestuje. A tak byste měli být schopni dostat se do bodu, kdy pokud byl vesmír skutečně horký a hustý všude – pokud Velký třesk byl něčím, co se stalo v celém vesmíru – pak by měl být schopen vidět části vesmíru, které jsou tak daleko, že jsou stále v tom horkém, hustém stavu, že jsou stále v závěrečné fázi tohoto druhu prvotní ohnivé koule existence.

A abyste se tam dostali, musíte předpokládat, že vesmír je velký a vždy byl rozsáhlou věcí, čemuž věříme. Myslíme si, že Velký třesk je něco, co se stalo všude. Neexistuje jediný výchozí bod. A tak pokud se budete řídit tímto uvažováním, pak by tam mělo být podsvícení. Světlo by k nám mělo přicházet ze všech směrů, z těch nejvzdálenějších končin, nejvzdálenějších, kam bychom mohli dohlédnout. Mělo by tam být světlo, které je zbytkem světla z konečného ochlazení tohoto ohnivého stavu vesmíru.

Kniha zkoumá pět možných způsobů, jak by mohl vesmír zaniknout. Proč existuje tolik různých cest, jak by to mohlo jít?

No, záleží na několika věcech. Jedním z nich je, že plně nerozumíme tomu, co způsobuje expanzi vesmíru tak, jak je právě teď. Bývaly doby, kdy jsme si mysleli, že to bude docela jednoduché, protože jsme měli dobrou teorii gravitace, obecnou teorii relativity a mohli měřit rychlost rozpínání vesmíru a věděli jsme, jak by se všechny věci ve vesmíru měly zpomalovat expanze. A tak šlo jen o to zjistit rovnováhu mezi expanzí a gravitací.

Takže pokud by expanze byla příliš rychlá na veškerou gravitaci, pak by ji dostatečně nezpomalila a expandovala by navždy. A pokud by expanze nebyla dostatečně rychlá nebo kdyby byla příliš velká gravitace, pak by gravitace zvítězila, zpomalila expanzi, zastavila ji a my bychom měli recollaspe – velký křup. A tak to byly po určitou dobu jediné možnosti, které dávaly smysl.

Ale pak, když se zjistilo, že vesmír ve skutečnosti zrychluje svou expanzi, museli jsme do vesmíru přidat novou složku. Museli jsme přehodnotit naše chápání a vložit věc zvanou temná energie. A temná energie je něco, co způsobuje, že se vesmír rozpíná rychleji. Ale protože temné energii ve skutečnosti nerozumíme, nemůžeme s velkou jistotou říci, že to je místo, kde se věci odehrávají. Takže to je důvod, proč jsou věci jako velký rip nebo velký crunch stále na stole a smrt z tepla je ta, ke které, jak se zdá, směřujeme.

A pak ty dvě podivné myšlenky, rozpad vakua a skákající kosmologie, pocházejí ze skutečnosti, že se toho o velmi raném vesmíru a fyzice částic stále snažíme pochopit. Poskakující kosmologie tedy vzešla z myšlenky, že možná náš současný nejlepší odhad velmi raného vesmíru, této inflační fáze, možná není celý příběh. Možná se tak nestalo. Možná došlo ve velmi raném vesmíru k nějaké jiné evoluci, která vedla k podmínkám, které vidíme dnes. A pokud je to pravda, pak některé z těchto myšlenek mohou vést k těmto podivnějším cyklickým kosmologiím.

A pak myšlenka rozpadu vakua skutečně vychází ze skutečnosti, že naše znalosti částicové fyziky jsou neúplné a současná nejlepší znalost naší Znalosti částicové fyziky naznačují, že způsob, jakým částicová fyzika právě nyní funguje, není zcela stabilní, což činí vesmír náchylným k tomuto rozpadu. proces. Takže kdybychom lépe porozuměli fyzice částic, pokud bychom lépe porozuměli velmi, velmi raným částem vesmíru, pak bychom mohli o těchto dvou modelech něco říci. Zatím je ale nemůžeme vyloučit, ani s jistotou říci, že to tak bude.

Který ze všech scénářů je nejpravděpodobnější?

Smrt teplem je považována za nejpravděpodobnější, částečně proto, že vyžaduje nejméně dalších podivných věcí. Takže v kosmologii chceme dělat věci co nejjednodušší. Rádi nepřebíráme žádné nové součásti vesmíru, pokud to absolutně nemusíme. A scénář tepelné smrti má jakousi temnou energii, která je touto kosmologickou konstantou, což je něco, čemu úplně nerozumíme. Ale je to myšlenka, která existuje už od Einsteina, a je to jen vlastnost časoprostoru, že má v sobě zabudovaný tento malý kousek expanze.

Takže to nám dává velmi jednoduchý, přímočarý vývoj, kdy se vesmír neustále zrychluje ve své expanzi a vše jen mizí. A to dává velký smysl, pokud má vesmír temnou hmotu, pravidelnou hmotu a kosmologickou konstantu jako temnou energii. Nemusíte předpokládat nic složitějšího. Implicitně z toho vyplývá, že k inflaci skutečně došlo, a to byl počátek vesmíru. To je část takzvaného konkordančního modelu kosmologie, kde je vše tak jednoduché a nudné, jak si to dokážete představit.

Ale důvod, proč se s tím jen tak nespokojíme a neřekneme, že jsme skončili, je ten, že opravdu nevíme jistě, že temná energie je kosmologický koncept. A tak to nechává trochu prostoru. Také nemůžeme s jistotou říci, že rozumíme fyzice částic natolik, abychom mohli říci, že rozpad vakua nebude se stalo nebo že raná evoluce vesmíru nebyla dostatečně odlišná, aby naznačovala nějakou cyklickou fázi konec.

Některé zmiňujete nové radioteleskopy to umožní vědcům sledovat formování prvních struktur vesmíru. Co si od toho odborníci slibují?

Uděláme si lepší obrázek o vývoji vesmíru v tomto období mezi světlem v pozadí a moderním vesmírem, kde jsme, víte, vesmír plný galaxií. Je tu přiměřeně velký kus času, kdy máme málo informací o tom, co se tehdy dělo. Dozvíme se tedy hodně o vývoji vesmíru. Dostaneme jen měření mnohem více galaxií. Takže jsem v knize zmínil observatoř Vera Rubin, která zmapuje něco jako miliardy galaxií a ukázat nám, jak se pohybují vesmírem a jak se vyvíjejí v čase a jak se distribuováno. A to nám dá spoustu informací pouze o uspořádání vesmíru a vývoji vesmíru. Takže to budou důležitá vodítka.

Mohli bychom se také dozvědět o jiných aspektech fyziky. Takže mě zajímají některé z těchto velkých polí radioteleskopů, protože by nám mohly říct něco o temné hmotě, pokud temná hmota ve vzdáleném vesmíru anihiluje. To může změnit způsob, jakým se vyvíjejí první hvězdy a galaxie, a to by nám mohlo poskytnout vodítko k dalšímu kroku ve fyzice částic. A tak je spousta věcí, které bychom mohli vyplnit, kdybychom o něm měli mnohem více údajů vzdálený vesmír, raný vesmír, jiné galaxie – takový úsvit éry galaxií, můžete říci. Jde opravdu o to získat lepší mapu a získat lepší historii a hledat překvapení. Víte, opravdu doufáme, že s tím, jak budeme získávat stále více dat, uvidíme nové a zajímavé jevy.

Můžete vysvětlit rozdíl mezi temná energie a temná hmota?

Ano, temná hmota a temná energie působí na vesmír docela opačným způsobem. Mezi nimi dvěma jsou to nejdůležitější aspekty vesmíru, pokud uvažujete o jeho dlouhodobém vývoji. Temná energie je tedy něco, díky čemu se vesmír rozpíná rychleji. Nějak to protahuje prostor. Skutečně řídí vývoj vesmíru, odsud dál. Začalo to být opravdu, opravdu důležité asi před pěti miliardami let. A tak trochu přebírá vládu nad vesmírem. A tak jsme mu vydáni na milost, pokud jde o vývoj vesmíru odsud.

Ale temná hmota je něco, co je zodpovědné za veškeré nahromadění struktury ve vesmíru, takže růst galaxií a kup galaxií. Všechny jsou postaveny na lešení temné hmoty. Takže temná hmota je nějaký druh neviditelné hmoty, ale je to většina hmoty ve vesmíru a má vlastnosti, díky kterým se snáze spojí a postaví lešení, na kterém záleží na všem ostatním je postaven. A protože je to hmota, protože je to většina hmoty ve vesmíru, snaží se zpomalit expanzi vesmíru. A na chvíli to zpomalovalo rozpínání vesmíru a teprve před pěti miliardami let se vesmír tak rozrostl, že temná energie právě převzala vládu.

Vaše nadšení se v knize projevuje hodně, zvláště když mluvíte o věcech, jako je Hubbleův rádius. Jaké další takové věci jsou ve vašem oboru tak vzrušující, že je můžete sdílet s ostatními?

Chci říct, jen skutečnost, že můžeme vidět minulost velmi přímo, mi stále vrtá hlavou. Skutečnost, že konečné fáze velkého třesku můžeme vidět přímo pomocí dalekohledů, s mikrovlnnými přijímači. Sbíráme světlo z posledních fází Velkého třesku ve všech směrech. Skutečnost, že se můžeme jen dívat do vesmíru a vidět minulost, a proto se dozvědět o naší vlastní historii, je podle mě super-úžasná. To mě celou dobu udivuje. A pak, víte, existují právě všechny tyto podivné aspekty kosmologie, podivné věci ve fyzice, které se objeví, když jste ve vesmíru, který se rozpíná a řídí se relativitou. Takže jste zmínil tuto věc o tom, že v určitém bodě galaxie přestanou vypadat menší. Víte, galaxie stejné velikosti by začala vypadat větší, což je divné, jak se budete vzdalovat dál a dál.

Pak už jen to, že můžeme vidět rozpínání vesmíru, že to můžeme zmapovat v průběhu času, je úžasné. Ani nevím, jestli jsem o tom v knize opravdu mluvil, ale když se podíváme na velmi vzdálené supernovy, sluneční exploze, objeví se aby se odehrávaly pomaleji, pokud jsou daleko, protože expanze vesmíru prodlužuje čas i v tomto opravdu zvláštním cesta. Takže způsob, jakým se prostor a čas vzájemně ovlivňují, je velmi matoucí a zvláštní, když se zabýváte kosmologií, a to je opravdu zajímavé. Víte, relativita prostě dělá divné věci s prostorem a časem ve všech možných kontextech. Což mi připadá úžasné a cool.

V kosmologii je toho hodně neznámého. Jakou záhadu byste rádi rozluštili?

Oh, je toho tolik. Celá temná hmota/temná energie je obrovská. Kdybychom znali podstatu temné hmoty, určitě by to bylo velkým přínosem pro naše chápání fyziky obecně.

Ale myslím si, že to, co by bylo možná nejpůsobivější, by bylo skutečně vědět, zda k inflaci došlo, a pak například jak a proč. Takže vyplnění jen malého, malého okamžiku na samém počátku vesmíru by skutečně změnilo vše na našem obrazu vesmíru. Kdybychom věděli jistě, že se to stalo, prozradilo by to něco o vzniku vesmíru, což by nám pomohlo říci něco i o jeho budoucnosti. Opravdu by nám to umožnilo ovládat základní strukturu vesmíru. Takže ano, porozumět inflaci, temné hmotě, temné energii, to jsou podle mě ty velké. A pak, víte, existují věci jako vymyslet, jak propojit obecnou teorii relativity a fyziku částic. Ale myslím, že kdybychom znali odpovědi na inflaci, temnou hmotu a temnou energii, myslím, že by nám to dalo spoustu vodítek o tom, jak si dát dohromady úplnější obrázek fyziky.

V knize píšete trochu o existencialismu a děsu. Je to jen něco, o čem přemýšlíte, protože píšete tuto knihu, nebo je to tak nějak vždycky?

Jsem strašidelný? Myslím, myslím, že je to určitě něco, s čím jsem se kvůli knize musel potýkat, protože já myslím, že je přirozené položit si otázku, víš, pokud nebudeme pokračovat navždy, co to vlastně znamená znamenat? Jako, jaký je smysl života? Jaký je účel existence, pokud má konečné datum? Takže to bylo určitě něco, co se objevilo při přemýšlení o všech těchto velkých otázkách. Nejsem někdo, kdo tráví všechen svůj čas přemýšlením o smyslu života obecně. Obvykle se do takových věcí nehrnu. A také nejsem někdo, kdo rád myslí na smrt. Velmi jsem se snažil vyhnout přemýšlení o smrti, protože mě to velmi znepokojuje. Takže to bylo skutečně podníceno přemýšlením o této knize a snahou dát nějaký kontext kolem těchto velkých myšlenek, protože realita je taková, že máme emocionální odezvu na vesmír. I když se to z přísně praktického hlediska zdá iracionální, je těžké se takové reakci vyhnout.

Doporučení redakce

• 5 000 „očí“ bude skenovat noční oblohu a hledat vodítka k hádance temné energie
• Jak rozpoznávání obličeje pomáhá astronomům odhalit tajemství temné hmoty
• Vesmírný teleskop prozkoumat záhady temné energie a temné hmoty