Astrofüüsiku sõnul lõpeb universum nii

"Meie mõtisklused kosmose üle erutavad meid," ütles kunagi varalahkunud atronoom Carl Sagan. "Seal on surisemine lülisambas, hääl on kinni, nõrk tunne, nagu oleks kauge mälestus kukkumisest suurelt kõrguselt." Kui universumi üle mõtisklemine paneb sind värisema, võib selle lõpule mõtlemine sind ajada maavärin.

Oma uues raamatus Kõige lõpp: (astrofüüsiliselt rääkides), teoreetiline astrofüüsik dr Katie Mack alustab Suurest Paugust — teooriast, kuidas universum sai alguse. Selle algus võib temasugustele kosmoloogidele palju öelda selle vältimatust lõpust. Ta viib lugejad rõõmsalt läbi viie astrofüüsika apokalüpsise: suur krõmps, kuumasurm, suur rebend, vaakumi lagunemine ja suur põrge. Et teid kvark-gluoonplasmasse kinni ei jääks (ärge muretsege, ta selgitab seda), hoiab Mack kõik kättesaadavana ja vestlusvõimelisena. See on palju lõbusam, kui universumi lõpust kõnelevalt raamatult arvata võiks. Ta näib ütlevat, et ärge laske universumi lõppemise eksistentsiaalsel hirmul end alt vedada.

Rääkisime Mackiga tumeenergiast ja tumeainest, sellest, kuidas teleskoobid lasevad meil sõna otseses mõttes minevikku vaadata, ja kosmose veidrustest.

(Seda vestlust on selguse huvides kergelt muudetud.)

Digitaalsed suundumused: mis ajendas teid seda raamatut kirjutama?

Mack: Aastate jooksul olen õppinud palju erinevaid asju kosmoloogia valdkonnas. Niisiis, kosmoloogia hõlmab universumit kui tervikut ja selle komponente ja selle arengut. Olen töötanud varajase universumi kallal. Olen töötanud tumeaine, mustade aukude, galaktikate evolutsiooni ja kõigi selliste asjade kallal. Ja viimasel ajal olen universumi lõpust väga huvitatud olnud. ja nii see raamat tekkiski.

Teie raamat pakub väga arusaadavat selgitust selle kohta, kuidas me suudame Suurt Pauku jälgida. Kas saate meid sellest läbi viia?

Seega on idee selles, et kui universum praegu paisub – mida me jälgime, siis näeme galaktikaid liiguvad üksteisest eemale – siis on loogiline, et minevikus oli universum rohkem kokkusurutud. Nii et kõik oli üksteisele lähemal. Ja saate selle laiendi tagasi valida ja jõuate punkti, kus kõik oli justkui üksteise peal.

Seega, kui universum paisub, muutub see jahedamaks, aine hajub, energia hajub. Varem pidi see olema palavam ja tihedam ning mõnes mõttes väiksem kui praegu. Nii et see on põhimõtteliselt Suure Paugu teooria. See on Suure Paugu teooria kõige lihtsustatum väide, et universum oli varem kuumem, väiksem ja tihedam.

Ja kui see nii on, siis on ka loogiline, et kui sa vaatad piisavalt kaugele, vaatad sa ajas aina kaugemale ja kaugemale tagasi, kuna valguse reisimine sinu juurde võtab aega. Ja nii peaks teil olema võimalik jõuda punkti, kus kui universum oli tõesti kõikjal kuum ja tihe – kui Suur Pauk juhtus kogu kosmoses –, siis peaks olema võimeline nägema universumi osi, mis on nii kaugel, et nad on ikka veel selles kuumas ja tihedas olekus, et nad on seda tüüpi ürgse tulekera viimases staadiumis. olemasolu.

Ja selleks, et sinna jõuda, peate eeldama, et universum on suur ja alati olnud laiem asi, mida me usume. Arvame, et Suur Pauk on midagi, mis juhtus kõikjal. Pole olemas ühte lähtepunkti. Ja kui te seda arutluskäiku järgite, peaks taustvalgus olema. Meieni peaks tulema valgust igast suunast, kõige kaugematest paikadest, kõige kaugematest, mida me näha suudame. Seal peaks olema valgus, mis on kosmose tulise oleku lõplikust jahtumisest järele jäänud valgus.

Raamat uurib viit võimalikku viisi, kuidas universum võiks lõppeda. Miks on nii palju erinevaid võimalusi?

Noh, see taandub mõnele asjale. Üks on see, et me ei saa täielikult aru, mis paneb universumi paisuma sellisel kujul, nagu see praegu on. Oli aeg, mil arvasime, et see on üsna lihtne, sest meil oli hea gravitatsiooniteooria, üldrelatiivsusteooria ja me mõõta universumi paisumiskiirust ja me teadsime, kuidas kõik universumis leiduvad asjad peaksid aeglustama laienemine. Ja siis oli vaja lihtsalt välja mõelda tasakaal laienemise ja gravitatsiooni vahel.

Seega, kui paisumine oleks kogu raskusjõu jaoks liiga kiire, ei aeglustaks see seda piisavalt ja see laieneks igaveseks. Ja kui paisumine poleks piisavalt kiire või kui gravitatsiooni oleks liiga palju, siis võidaks gravitatsioon, aeglustaks paisumist, peataks selle ja meil tekiks taaskollane – suur krigistamine. Ja nii olid need mõnda aega ainsad võimalused, millel oli mõtet.

Kuid siis, kui avastati, et universum tegelikult oma paisumine kiireneb, pidime universumile lisama uue komponendi. Pidime oma arusaama üle vaatama ja panema sellesse asja, mida nimetatakse tumeenergiaks. Ja tume energia on midagi, mis paneb universumi kiiremini paisuma. Kuid kuna me ei mõista tumeenergiat, ei saa me väga kindlalt väita, et see on koht, kuhu asjad lähevad. Seetõttu on sellised asjad nagu suur rebend või suur krigistamine endiselt laual ja kuumasurm on see, mille poole me näib suunduvat.

Ja siis kaks imelikku ideed, vaakumlagunemine ja põrkavad kosmoloogiad, tulenevad sellest, et väga varajase universumi ja osakeste füüsika kohta püüame veel palju mõista. Nii et põrkuv kosmoloogia on tulnud välja ideest, et võib-olla meie praegune parim oletus väga varase universumi, selle inflatsioonifaasi kohta, võib-olla pole see kogu lugu. Võib-olla seda ei juhtunud. Võib-olla toimus väga varajases universumis mõni muu evolutsioon, mis viis selliste tingimusteni, mida praegu näeme. Ja kui see on tõsi, võivad mõned neist ideedest viia nende võõraste tsükliliste kosmoloogiateni.

Ja siis tuleb vaakumlagunemise idee tõesti välja sellest, et meie osakeste füüsikaalased teadmised on puudulikud ja praegune kõige paremini mõistab meie osakeste füüsikateadmised viitavad sellele, et osakeste füüsika praegune toimimine ei ole lihtsalt täielikult stabiilne, mis jätab universumi selle lagunemise suhtes haavatavaks protsessi. Nii et kui me saaksime paremini aru osakeste füüsikast, kui me mõistaksime paremini universumi väga-väga varaseid osi, siis saaksime nende kahe mudeli kohta midagi öelda. Kuid praegu ei saa me neid välistada ega kindlalt väita, et need on nii, nagu asjad lähevad.

Milline on kõigist stsenaariumidest kõige tõenäolisem?

Kuumasurma peetakse kõige tõenäolisemaks, osaliselt seetõttu, et see nõuab kõige vähem täiendavaid veidrusi. Seega meeldib meile kosmoloogias hoida asjad võimalikult lihtsad. Meile meeldib mitte võtta endale universumi uusi komponente, välja arvatud juhul, kui see on hädavajalik. Ja kuumasurma stsenaariumil on mingi tume energia, mis on see kosmoloogiline konstant, millest me täielikult aru ei saa. Kuid see on idee, mis on olnud Einsteinist saadik ja see on lihtsalt aegruumi omadus, et sellesse on sisse ehitatud väike laienemine.

Nii et see annab meile väga lihtsa ja arusaadava evolutsiooni, kus universum jätkab oma paisumise kiirenemist igavesti ja see kõik lihtsalt hääbub. Ja sellel on palju mõtet, kui universumis on tumeda energiana tumeaine, tavaline aine ja kosmoloogiline konstant. Te ei pea eeldama midagi keerulisemat kui see. See tähendab kaudselt, et inflatsioon toimus ja see oli universumi algus. See on osa kosmoloogia niinimetatud kooskõlamudelist, kus kõik on nii lihtne ja igav, kui võite ette kujutada.

Kuid põhjus, miks me sellega lihtsalt ei lepi ja ei ütle, et oleme lõpetanud, on see, et me tõesti ei tea kindlalt, et tume energia on kosmoloogiline mõiste. Ja see jätab ruumi. Samuti ei saa me kindlalt öelda, et mõistame osakeste füüsikat piisavalt, et öelda, et vaakumi lagunemine ei toimi juhtuda või et varajane universumi evolutsioon ei olnud piisavalt erinev, et eeldada tsüklilist faasi lõpp.

Mainid mõnda uued raadioteleskoobid mis võimaldab teadlastel jälgida universumi esimeste struktuuride teket. Mida loodavad eksperdid sellest õppida?

Saame parema pildi kosmose arengust läbi selle perioodi taustavalguse ja tänapäevase universumi vahel, kus me, teate, galaktikaid täis universum. Meil on piisavalt palju aega, kus meil on vähe teavet selle kohta, mis tol ajal toimus. Nii et me õpime palju kosmose evolutsiooni kohta. Saame lihtsalt mõõtmised palju rohkemate galaktikate kohta. Nii et mainisin raamatus Vera Rubini observatooriumi, mis hakkab kaardistama umbes miljardeid galaktikad ja näidata meile, kuidas nad liiguvad läbi universumi ning kuidas nad aja jooksul arenevad ja kuidas nad on jagatud. Ja see annab meile palju teavet ainult universumi paigutuse ja kosmose arengu kohta. Nii et need on olulised vihjed.

Samuti võime õppida tundma muid füüsika aspekte. Nii et olen huvitatud mõnest neist suurtest raadioteleskoobimassiividest, sest need võivad meile tumeaine kohta midagi öelda, kui tumeaine on kauges universumis hävimas. See võib muuta seda, kuidas esimesed tähed ja galaktikad arenevad, ja see võib anda meile vihjeid osakeste füüsika järgmise sammu kohta. Ja seega on palju asju, mida võiksime täita, kui meil on selle kohta palju rohkem andmeid kauge universum, varajane universum, teised galaktikad – nagu galaktikate ajastu koit, võite öelda. Asi on tõesti lihtsalt parema kaardi hankimises, parema ajaloo hankimises ja üllatuste otsimises. Teate, me tõesti loodame, et näeme üha rohkem andmeid hankides uusi ja huvitavaid nähtusi.

Kas saate selgitada erinevust tume energia ja tumeaine?

Jah, tumeaine ja tumeenergia mõjutavad universumit üsna vastupidisel viisil. Nende kahe vahel on need kosmose kõige olulisemad aspektid, kui mõtlete selle pikaajalisele arengule. Seega on tume energia midagi, mis paneb universumi kiiremini paisuma. See venitab kuidagi ruumi välja. Siit edasi juhib see tõesti kosmose arengut. See hakkas muutuma tõeliselt oluliseks umbes viis miljardit aastat tagasi. Ja see võtab nüüd universumi omamoodi üle. Ja seega oleme kosmose arengus siit edasi tema meelevallas.

Kuid tumeaine on omamoodi see, mis vastutab kogu kosmose struktuuri moodustumise, seega galaktikate ja galaktikaparvede kasvu eest. Need kõik on ehitatud tumeaine tellingutele. Nii et tumeaine on mingi nähtamatu aine, kuid see on suurem osa universumi ainest ja sellel on omadused, mis hõlbustavad selle kokkutulekut ja tellingute ehitamist, millel kõik muu on oluline on ehitatud. Ja kuna see on mateeria, kuna see on suurem osa universumi ainest, püüab see aeglustada universumi paisumist. Ja mõnda aega aeglustas see universumi paisumist ja alles umbes viis miljardit aastat tagasi sai universum nii suureks, et tume energia võttis lihtsalt võimust.

Sinu entusiasm tuleb raamatust palju läbi, eriti kui räägid sellistest asjadest nagu Hubble'i raadius. Millised on teised sellised asjad, mis on teie valdkonnas nii põnevad, et saate teiste inimestega lihtsalt jagada?

Tähendab, ainuüksi fakt, et me näeme minevikku väga vahetult, ajab mulle jätkuvalt pähe. See, et Suure Paugu lõppfaasi näeme otse teleskoopidega, mikrolaine vastuvõtjatega. Me kogume Suure Paugu viimastest etappidest valgust igas suunas. Asjaolu, et saame lihtsalt vaadata universumisse ja näha minevikku ning seega õppida tundma oma ajalugu, on minu arvates ülimalt hämmastav. See hämmastab mind kogu aeg. Ja siis, teate, on lihtsalt kõik need kosmoloogia veidrad aspektid, veidrad asjad füüsikas, mis tulevad esile, kui viibite universumis, mis laieneb ja mida juhib relatiivsusteooria. Nii et sa mainisid seda asja, et teatud hetkel ei näe galaktikad enam väiksemana. Teate, sama suur galaktika hakkaks aina kaugemale liikudes suurem välja nägema, mis on imelik.

Siis on hämmastav fakt, et me näeme universumi paisumist ja suudame seda aja jooksul kaardistada. Ma isegi ei tea, kas ma tõesti rääkisin sellest raamatus, aga kui me vaatame väga kaugeid supernoovasid, päikeseplahvatusi, siis need ilmuvad. toimuma aeglasemalt, kui nad on kaugel, sest universumi paisumine venitab aega ka selles tõeliselt kummalises tee. Nii et viis, kuidas ruum ja aeg üksteisega suhtlevad, muutub kosmoloogiaga tegelemisel väga segaseks ja kummaliseks, ja see on tõesti huvitav. Teate, relatiivsusteooria teeb kõikvõimalikes kontekstides ruumi ja ajaga imelikke asju. Mida ma pean hämmastavaks ja lahedaks.

Kosmoloogias on palju teadmata. Mis on üks mõistatus, mida tahaksid lahendada?

Oh, neid on nii palju. Kogu tumeaine/tumeenergia asi on tohutu. Kui me teaksime tumeaine olemust, oleks see kindlasti suureks abiks meie arusaamisele füüsikast üldiselt.

Kuid ma arvan, et asi, mis oleks võib-olla kõige mõjuvam, oleks tõesti teadmine, kas inflatsioon toimus ja seejärel, näiteks, kuidas ja miks. Nii et universumi alguses vaid pisikese ajahetke täitmine muudaks tõesti kõike meie kosmosepildis. Kui me teaksime kindlalt, et see juhtus, ütleks see meile midagi universumi tekke kohta, mis aitaks meil midagi öelda ka selle tuleviku kohta. See võimaldaks meil tõesti käsitseda kosmose põhistruktuuri. Nii et jah, inflatsiooni, tumeaine, tumeenergia mõistmine, need on sellised suured, ma arvan. Ja siis, teate, on selliseid asju nagu üldrelatiivsusteooria ja osakeste füüsika ühendamise väljamõtlemine. Kuid ma arvan, et kui me teaksime vastuseid inflatsioonile, tumeainele ja tumeenergiale, siis ma arvan, et see annaks meile palju vihjeid selle kohta, kuidas füüsikast terviklikum pilt kokku panna.

Sa kirjutad raamatus natuke eksistentsialismist ja hirmust. Kas see on lihtsalt midagi, mille üle mõtisklete sellepärast, et seda raamatut kirjutate, või on see alati olemas?

Kas mind kummitab? Ma mõtlen, et see on kindlasti midagi, millega ma tundsin, et pean raamatu nimel maadlema, sest ma arvan, et on loomulik küsida, et kui me ei kesta igavesti, siis mida see üldse teeb tähendab? Näiteks, mis on elu mõte? Mis on olemasolu eesmärk, kui sellel on lõppkuupäev? Nii et see oli kindlasti midagi, mis kerkis kõigi nende suurte küsimuste peale mõeldes. Ma ei ole keegi, kes veedab kogu oma aja elu mõtte üle üldiselt mõtiskledes. Tavaliselt ma sellesse asjasse ei puutu. Ja ma ei ole keegi, kellele meeldib mõelda surmale. Püüdsin väga vältida surmale mõtlemist, sest see on minu arvates väga murettekitav. Nii et see ajendas seda raamatut mõtlema ja nendele suurtele ideedele konteksti seadma, sest tegelikkus on see, et meil on universumi suhtes emotsionaalne reaktsioon. Isegi kui see tundub rangelt praktilisest vaatenurgast irratsionaalne, on seda vastust raske vältida.

Toimetajate soovitused

• 5000 "silma" skannivad öist taevast, et leida vihjeid tumeenergia mõistatustele
• Kuidas näotuvastus aitab astronoomidel tumeaine saladusi paljastada
• Kosmoseteleskoop tumeenergia ja tumeaine saladuste uurimiseks