Sådan vil universet ende, ifølge en astrofysiker

"Vores overvejelser om kosmos rører os," sagde den afdøde atronom Carl Sagan engang. "Der er en snurren i rygsøjlen, et hak i stemmen, en svag fornemmelse, som om et fjernt minde om at falde fra stor højde." Hvis det giver dig et gys at reflektere over universet, kan det få dig til at tænke på dets afslutning skælv.

I sin nye bog, The End of Everything: (astrofysisk set), den teoretiske astrofysiker Dr. Katie Mack starter med Big Bang - teorien om, hvordan universet begyndte. Dens start kan fortælle kosmologer som hende meget om dens uundgåelige afslutning. Hun tager muntert læserne gennem fem astrofysiske apokalypser: Det store knas, varmedød, det store rift, vakuumforfald og det store opspring. For at forhindre dig i at sidde fast i kvark-gluon-plasmaet (bare rolig, hun forklarer det), holder Mack alt tilgængeligt og samtale. Det er meget sjovere, end du ville forvente, at en bog om universets afslutning er. Lad ikke den eksistentielle frygt for universets ende få dig ned, lader hun til at sige.

Vi talte med Mack om mørk energi versus mørkt stof, hvordan teleskoper lader os bogstaveligt talt se ind i fortiden og rummets underlighed.

(Denne samtale er blevet let redigeret for klarhedens skyld.)

Digitale tendenser: Hvad fik dig til at skrive denne bog?

Mack: I årenes løb har jeg studeret en masse forskellige ting inden for området, bredt set, af kosmologi. Så kosmologi dækker, du ved, universet som helhed og dets komponenter og dets evolution. Jeg har arbejdet på det tidlige univers. Jeg har arbejdet med mørkt stof, sorte huller, galakseudvikling, alle den slags ting. Og på det seneste har jeg været meget interesseret i universets ende. og sådan er denne bog opstået.

Din bog giver en meget tilgængelig forklaring på, hvordan vi er i stand til at observere Big Bang. Kan du lede os igennem det?

Så ideen er, at hvis universet i øjeblikket udvider sig - hvilket vi observerer, ser vi galakser bevæger sig fra hinanden - så er det klart, at før i tiden var universet mere komprimeret. Så alt var tættere sammen. Og du kan på en måde dreje den forlængelse tilbage, og du kommer til et punkt, hvor alt var lidt oven på hinanden.

Så efterhånden som universet udvider sig, bliver det køligere, stof bliver mere diffust, energi bliver mere diffust. Tidligere må det have været varmere og tættere og i en eller anden forstand mindre end i dag. Så det er dybest set Big Bang Theory. Det er den mest forenklede udtalelse fra Big Bang Theory, bare at universet var varmere og mindre og tættere i fortiden.

Og hvis det er tilfældet, så er det også logisk, at hvis du kigger langt nok væk, kigger du længere og længere tilbage i tiden, på grund af den tid, det tager lys at rejse til dig. Og så du burde være i stand til at nå et punkt, hvor hvis universet virkelig var varmt og tæt overalt - hvis Big Bang var noget, der skete i hele kosmos - så burde være i stand til at se dele af universet, der er så langt væk, at de stadig er i den varme, tætte tilstand, at de stadig er i slutstadiet af den slags primordial ildkugle eksistens.

Og for at komme dertil, må du antage, at universet er stort og altid har været en udvidet ting, hvilket vi tror. Vi tror, ​​at Big Bang er noget, der skete overalt. Der er ikke et enkelt udgangspunkt. Og så hvis du følger det ræsonnement, så burde der være baggrundslys. Der skulle komme lys til os fra alle retninger, fra de fjerneste rækker, det fjerneste vi overhovedet kunne se. Der skulle være lyset, der er restlyset fra den endelige afkøling af den flammende tilstand af kosmos.

Bogen udforsker fem mulige måder, hvorpå universet kan ende. Hvorfor er der så mange forskellige måder, det kunne gå?

Nå, det kommer ned til et par ting. Den ene er, at vi ikke helt forstår, hvad der får universet til at udvide sig på den måde, det er lige nu. Der var engang, hvor vi troede, det ville være ret simpelt, fordi vi havde en god teori om tyngdekraft, generel relativitet, og vi kunne måle universets ekspansionshastighed, og vi vidste, hvordan alle ting i universet skulle bremse udvidelse. Og så var det bare et spørgsmål om at finde ud af balancen mellem udvidelsen og tyngdekraften.

Så hvis udvidelsen var for hurtig til al tyngdekraften, ville den ikke bremse den nok, og den ville udvide sig for evigt. Og hvis udvidelsen ikke var hurtig nok, eller hvis der var for meget tyngdekraft, så ville tyngdekraften vinde, bremse udvidelsen ned, stoppe den, og vi ville have et gensyn - det store knas. Og så i en periode var det de eneste muligheder, der gav nogen mening.

Men da det så blev opdaget, at universet faktisk accelererede i sin udvidelse, var vi nødt til at tilføje en ny komponent til universet. Vi var nødt til at revidere vores forståelse og indsætte denne ting, der kaldes mørk energi. Og mørk energi er noget, der får universet til at udvide sig hurtigere. Men fordi vi ikke rigtig forstår mørk energi, kan vi ikke med stor sikkerhed sige, at det er der, tingene går. Så derfor er ting som det store brud eller det store knas stadig på bordet, og hededøden er den, vi ser ud til at være på vej mod.

Og så kommer de to mærkelige ideer, vakuumforfald og hoppende kosmologier, fra det faktum, at der er meget, vi stadig forsøger at forstå om det meget tidlige univers og partikelfysik. Så den hoppende kosmologi er kommet ud af ideen om, at måske vores nuværende bedste gæt på det meget tidlige univers, denne inflationære fase, måske er det ikke hele historien. Måske skete det ikke. Måske var der en anden udvikling i det meget tidlige univers, der førte til de forhold, som vi ser i dag. Og hvis det er sandt, så kan nogle af disse ideer føre til disse fremmede cykliske kosmologier.

Og så kommer ideen om vakuum henfald virkelig ud af det faktum, at vores viden om partikelfysik er ufuldstændig, og den nuværende bedste forståelse af vores viden om partikelfysik tyder på, at den måde, partikelfysik fungerer på lige nu, bare ikke er helt stabil, hvilket efterlader universet sårbart over for dette forfald behandle. Så hvis vi bedre forstod partikelfysik, hvis vi bedre forstod de meget, meget tidlige dele af universet, så ville vi være i stand til at sige noget om de to modeller. Men indtil videre kan vi hverken udelukke dem eller med sikkerhed sige, at det er den måde, tingene vil gå.

Hvilket af alle scenarier er det mest sandsynlige?

Varmedød anses for at være den mest sandsynlige, delvis fordi den kræver færrest ekstra underlige ting. Så i kosmologi kan vi godt lide at holde tingene så enkle som muligt. Vi kan godt lide ikke at antage nogen nye komponenter i universet, medmindre vi absolut er nødt til det. Og varmedødsscenariet har en slags mørk energi, der er denne kosmologiske konstant, hvilket er noget, vi ikke helt forstår. Men det er en idé, der har eksisteret siden Einstein, og det er bare en egenskab ved rumtiden, at den har en lille smule udvidelse indbygget i sig.

Så det giver os en meget enkel, ligetil evolution, hvor universet fortsætter med at accelerere i sin ekspansion for evigt, og det hele bare forsvinder. Og det giver meget mening, hvis universet har mørkt stof, regulært stof og en kosmologisk konstant som den mørke energi. Du behøver ikke antage noget mere kompliceret end det. Implicit i det er, at inflationen skete, og det var begyndelsen på universet. Det er en del af den såkaldte konkordansmodel for kosmologi, hvor alt er så enkelt og kedeligt, som du kan forestille dig.

Men grunden til, at vi ikke bare nøjes med det og siger, at vi er færdige, er, fordi vi virkelig ikke ved med sikkerhed, at den mørke energi er et kosmologisk begreb. Og så efterlader det lidt plads. Vi kan heller ikke med sikkerhed sige, at vi forstår partikelfysik nok til at sige, at vakuumhenfald ikke vil ske, eller at den tidlige universudvikling ikke var anderledes nok til at antyde en eller anden cyklisk fase ved ende.

Du nævner nogle nye radioteleskoper som vil tillade videnskabsmænd at se de første strukturer i universet dannes. Hvad håber eksperter at lære af det?

Vi får et bedre billede af udviklingen af ​​kosmos gennem denne periode mellem baggrundslyset og det moderne univers, hvor vi, du ved, er universet fuld af galakser. Der er et rimeligt stort stykke tid, hvor vi har lidt information om, hvad der foregik dengang. Så vi vil lære meget om udviklingen af ​​kosmos. Vi får kun målinger af langt flere galakser. Så jeg nævnte i bogen Vera Rubin Observatory, som skal kortlægge noget som milliarder af galakser og vis os, hvordan de bevæger sig gennem universet, og hvordan de udvikler sig over tid, og hvordan de er fordelt. Og det vil give os en masse information om netop universets layout og udviklingen af ​​kosmos. Så det vil være vigtige spor.

Vi kan også lære om andre aspekter af fysik. Så jeg er interesseret i nogle af disse store radioteleskoparrays, fordi de måske kan fortælle os noget om mørkt stof, hvis mørkt stof er ved at udslette i det fjerne univers. Det kan ændre, hvordan de første stjerner og galakser udvikler sig, og det kan måske give os nogle ledetråde til det næste trin i partikelfysikken. Og så er der mange ting, vi måske kan udfylde, hvis vi bare har meget mere data om fjernt univers, det tidlige univers, andre galakser - den slags morgengry i galaksetiden, kan du sige. Det er virkelig et spørgsmål om bare at få et bedre kort og få en bedre historie og lede efter overraskelser. Du ved, vi håber virkelig, at vi ser nye og interessante fænomener, efterhånden som vi får mere og mere data.

Kan du forklare forskellen mellem mørk energi og mørkt stof?

Ja, så mørkt stof og mørk energi virker på universet på ret modsatte måder. Mellem de to af dem er de de vigtigste aspekter af kosmos, hvis du tænker på dets langsigtede udvikling. Så mørk energi er noget, der får universet til at udvide sig hurtigere. Det strækker på en måde rummet ud. Det styrer virkelig udviklingen af ​​kosmos herfra. Det begyndte at blive virkelig, virkelig vigtigt for måske fem milliarder år siden. Og det er på en måde ved at overtage universet nu. Og så er vi prisgivet med hensyn til udviklingen af ​​kosmos herfra og ud.

Men mørkt stof er sådan set det, der er ansvarlig for al opbygningen af ​​struktur i kosmos, så væksten af ​​galakser og galaksehobe. De er alle bygget på stilladset af mørkt stof. Så mørkt stof er en slags usynligt stof, men det er det meste af stoffet i universet, og det har nogle egenskaber, der gør det nemmere for det at komme sammen og bygge stilladset, som alt det andet betyder noget på er bygget. Og fordi det er stof, fordi det er det meste af stoffet i universet, handler det for at forsøge at bremse universets udvidelse. Og i et stykke tid bremsede det universets udvidelse, og det var først for omkring fem milliarder år siden, at universet blev så stort, at mørk energi bare tog over.

Din entusiasme kommer meget igennem i bogen, især når du taler om ting som Hubble-radius. Hvad er nogle af de andre ting, der bare er så spændende inden for dit felt, som du bare har delt med andre mennesker?

Jeg mener, bare det faktum, at vi kan se fortiden meget direkte, fortsætter med at blæse mit sind. Det faktum, at vi kan se de sidste stadier af Big Bang direkte med teleskoper, med mikrobølgemodtagere. Vi opfanger lyset fra de sidste stadier af Big Bang i alle retninger. Det, at vi bare kan se ud i universet og se fortiden og derfor lære om vores egen historie, det synes jeg er super-fantastisk. Det overrasker mig hele tiden. Og så, du ved, er der bare alle disse mærkelige aspekter af kosmologi, mærkelige ting i fysikken, der dukker op, hvis du er i et univers, der udvider sig og er styret af relativiteten. Så du nævnte det her om på et bestemt tidspunkt, galakser holder op med at se mindre ud længere. Du ved, en galakse af samme størrelse ville begynde at se større ud, hvilket er mærkeligt, efterhånden som du går længere og længere ud.

Så er der bare det faktum, at vi kan se universets udvidelse, at vi kan kortlægge det over tid, er fantastisk. Jeg ved ikke engang, om jeg virkelig talte om dette i bogen, men når vi ser på meget fjerne supernovaer, soleksplosioner, dukker de op at ske langsommere, hvis de er langt væk, fordi udvidelsen af ​​universet også strækker tiden ud i dette virkelig mærkelige vej. Så måden, hvorpå rum og tid interagerer med hinanden, bliver meget forvirrende og mærkelig, når man beskæftiger sig med kosmologi, og det er virkelig interessant. Du ved, relativitet gør bare mærkelige ting med rum og tid i alle mulige sammenhænge. Det synes jeg er fantastisk og fedt.

Der er meget i kosmologi, der er ukendt. Hvad er et mysterium, du gerne vil løse?

Åh, der er så mange. Hele det med mørkt stof/mørk energi er enorm. Hvis vi kendte mørkt stofs natur, ville det helt sikkert være en stor hjælp til netop vores forståelse af fysik generelt.

Men jeg tror, ​​at det, der måske ville have størst effekt, ville være at vide, om inflationen opstod, og så, hvordan og hvorfor. Så at udfylde blot et lille bitte øjeblik i begyndelsen af ​​universet ville virkelig ændre alt ved vores billede af kosmos. Hvis vi vidste med sikkerhed, at dette skete, ville det fortælle os noget om universets oprindelse, som ville hjælpe os til også at kunne sige noget om dets fremtid. Det ville virkelig lade os få styr på den grundlæggende struktur af kosmos. Så ja, forstå inflation, mørkt stof, mørk energi, det er den slags store, tror jeg. Og så, du ved, er der ting som at finde ud af, hvordan man forbinder generel relativitetsteori og partikelfysik. Men jeg tror, ​​at hvis vi kendte svarene til inflation, mørkt stof og mørk energi, så tror jeg, at det ville give os en masse ledetråde om, hvordan vi sammensætter et mere komplet billede af fysik.

Du skriver lidt om eksistentialisme og frygt i bogen. Er det bare noget, du reflekterer over, fordi du skriver denne bog, eller er den der sådan set altid?

Er jeg hjemsøgt? Jeg mener, jeg tror bestemt, det er noget, jeg følte, at jeg skulle kæmpe med til bogen, fordi jeg tror, ​​det er naturligt at stille spørgsmålet om, du ved, hvis vi ikke fortsætter for evigt, hvad gør det så betyde? For eksempel, hvad er meningen med livet? Hvad er formålet med eksistensen, hvis den har en slutdato? Så det var bestemt noget, der dukkede op ved at tænke på alle disse store spørgsmål. Jeg er ikke en, der bruger al min tid på at overveje meningen med livet generelt. Jeg plejer ikke at blive fanget af det der. Og jeg er heller ikke en, der kan lide at tænke på døden. Jeg prøvede meget hårdt på at undgå at tænke på døden, fordi jeg synes, det er meget bekymrende. Så det blev virkelig tilskyndet af at tænke over denne bog og forsøge at sætte en vis kontekst omkring disse store ideer, fordi virkeligheden er, at vi har en følelsesmæssig reaktion på universet. Selvom det virker irrationelt ud fra et strengt praktisk synspunkt, er det svært at undgå at få det svar.

Redaktørens anbefalinger

• 5.000 'øjne' vil scanne nattehimlen for spor til den mørke energis puslespil
• Hvordan ansigtsgenkendelse hjælper astronomer med at afsløre hemmelighederne bag mørkt stof
• Rumteleskop til at undersøge mysterierne om mørk energi og mørkt stof