Näin universumi päättyy, astrofyysikon mukaan

"Avaruuden pohdiskelumme kiihottavat meitä" edesmennyt atronomi Carl Sagan sanoi kerran. "Selkärangassa on kihelmöintiä, ääni katkeaa, heikko tunne, kuin kaukainen muisto kaatumisesta suurelta korkeudelta." Jos maailmankaikkeuden pohtiminen saa sinut väreiksi, sen lopun ajatteleminen voi saada sinut järistys.

Hänen uudessa kirjassaan Kaiken loppu: (astrofyysisesti puhuen), teoreettinen astrofyysikko tohtori Katie Mack aloittaa alkuräjähdyksen – teorian siitä, miten maailmankaikkeus sai alkunsa. Sen alku voi kertoa hänen kaltaisilleen kosmologille paljon sen väistämättömästä lopusta. Hän opastaa lukijat iloisesti viiden astrofysiikan apokalypsin läpi: iso crunch, lämpökuolema, iso repeämä, tyhjiöhajoaminen ja iso pomppiminen. Jotta et juuttuisi kvarkkigluoniplasmaan (älä huoli, hän selittää sen), Mack pitää kaiken saatavilla ja keskustelukykyisenä. Se on paljon hauskempaa kuin uskoisit kirjan maailmankaikkeuden lopusta olevan. Älä anna maailmankaikkeuden loppuvan eksistentiaalisen pelon masentaa sinua, hän näyttää sanovan.

Puhuimme Mackille pimeästä energiasta ja pimeästä aineesta, kuinka kaukoputket antavat meidän katsoa kirjaimellisesti menneisyyteen ja avaruuden omituisuudesta.

(Tätä keskustelua on muokattu kevyesti selvyyden vuoksi.)

Digitaalitrendit: Mikä sai sinut kirjoittamaan tämän kirjan?

Mack: Vuosien varrella olen opiskellut paljon erilaisia ​​asioita laajasti kosmologian alalla. Kosmologia siis kattaa maailmankaikkeuden kokonaisuutena ja sen komponentit ja sen evoluution. Olen työskennellyt varhaisen universumin parissa. Olen työskennellyt pimeän aineen, mustien aukkojen, galaksien evoluution ja kaiken tämän tyyppisten asioiden parissa. Ja viime aikoina olen ollut erittäin kiinnostunut universumin lopusta. ja näin tämä kirja syntyi.

Kirjasi tarjoaa erittäin helppokäyttöisen selityksen sille, kuinka voimme tarkkailla alkuräjähdystä. Voitko ohjata meidät sen läpi?

Joten ajatuksena on, että jos maailmankaikkeus laajenee parhaillaan - mitä me havainnoimme, näemme galakseja liikkuvat erillään toisistaan ​​- silloin on selvää, että menneisyydessä maailmankaikkeus oli enemmän pakattu. Joten kaikki oli lähempänä toisiaan. Ja voit soittaa alaliittymän takaisin ja pääset pisteeseen, jossa kaikki oli tavallaan päällekkäin.

Joten kun maailmankaikkeus laajenee, se viilenee, aine hajaantuu, energia hajaantuu. Aiemmin sen on täytynyt olla kuumempi ja tiheämpi ja jossain mielessä pienempi kuin nykyään. Tämä on siis periaatteessa alkuräjähdyksen teoria. Tämä on alkuräjähdysteorian yksinkertaisin lausunto, vain se, että maailmankaikkeus oli aikaisemmin kuuma, pienempi ja tiheämpi.

Ja jos näin on, on myös järkevää, että jos katsot riittävän kauas, katsot yhä kauemmaksi ajassa taaksepäin, koska valolta kuluu aikaa matkustaa luoksesi. Ja niin sinun pitäisi pystyä pääsemään pisteeseen, jossa jos universumi todella oli kuuma ja tiheä kaikkialla – jos alkuräjähdys tapahtui koko kosmoksessa – pitäisi pystyä näkemään maailmankaikkeuden osia, jotka ovat niin kaukana, että ne ovat edelleen siinä kuumassa, tiheässä tilassa, että ne ovat vielä tällaisen ikimuistoisen tulipallon loppuvaiheessa. olemassaolo.

Ja päästäksesi sinne, sinun on oletettava, että maailmankaikkeus on suuri ja aina ollut laajennettu asia, jonka uskomme. Ajattelemme, että alkuräjähdys tapahtui kaikkialla. Ei ole yhtä lähtökohtaa. Ja jos noudatat tätä päättelyä, taustavaloa pitäisi olla. Meille pitäisi tulla valoa joka suunnasta, kaukaisimmasta päästä, kauimpana, jonka voimme nähdä. Siellä pitäisi olla valoa, joka on jäljelle jäänyt valo kosmoksen tulisen tilan lopullisesta jäähtymisestä.

Kirjassa tarkastellaan viittä mahdollista tapaa, joilla maailmankaikkeus voisi päättyä. Miksi siinä on niin monia eri tapoja?

No, se riippuu muutamasta asiasta. Yksi on se, että emme täysin ymmärrä, mikä saa maailmankaikkeuden laajenemaan sellaisella tavalla kuin se nyt on. Oli aika, jolloin luulimme sen olevan melko yksinkertaista, koska meillä oli hyvä painovoimateoria, yleinen suhteellisuusteoria, ja meillä oli pystyi mittaamaan maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, ja tiesimme, kuinka kaiken maailmankaikkeuden aineen pitäisi hidastaa laajennus. Ja niin sitten oli vain kysymys laajenemisen ja painovoiman välisen tasapainon selvittämisestä.

Joten jos laajeneminen olisi liian nopea kaikelle painovoimalle, se ei hidastaisi sitä tarpeeksi ja se laajenee ikuisesti. Ja jos laajeneminen ei olisi riittävän nopeaa tai jos painovoimaa olisi liikaa, painovoima voittaisi, hidastaisi laajenemista, pysäyttäisi sen, ja meillä olisi uudelleen räjähdys - suuri crunch. Ja niinpä ne olivat jonkin aikaa ainoat vaihtoehdot, joissa oli mitään järkeä.

Mutta sitten, kun havaittiin, että maailmankaikkeus todella kiihtyi laajeneessaan, meidän oli lisättävä uusi komponentti universumiin. Meidän täytyi tarkistaa ymmärryksemme ja laittaa tämä asia nimeltä pimeä energia. Ja pimeä energia on jotain, joka saa universumin laajenemaan nopeammin. Mutta koska emme todella ymmärrä pimeää energiaa, emme voi sanoa suurella varmuudella, että siellä asiat ovat menossa. Siksi asiat, kuten suuri repeämä tai iso crunch, ovat edelleen pöydällä, ja lämpökuolema on se, jota kohti näytämme olevan menossa.

Ja sitten kaksi outoa ideaa, tyhjiöhajoaminen ja pomppiva kosmologia, johtuvat siitä, että yritämme vielä ymmärtää hyvin varhaisesta maailmankaikkeudesta ja hiukkasfysiikasta paljon. Joten pomppiva kosmologia on syntynyt ajatuksesta, että ehkä nykyinen paras arvauksemme hyvin varhaisesta universumista, tästä inflaatiovaiheesta, ehkä se ei ole koko tarina. Ehkä niin ei käynyt. Ehkä hyvin varhaisessa universumissa tapahtui jokin muu evoluutio, joka johti olosuhteisiin, joita näemme nykyään. Ja jos se on totta, niin jotkut näistä ajatuksista voivat johtaa näihin vieraisiin syklisiin kosmologioihin.

Ja sitten idea tyhjiöhajoamisesta todella syntyy siitä tosiasiasta, että hiukkasfysiikan tietomme on epätäydellistä ja nykyinen parhaiten ymmärtää meidän hiukkasfysiikan tietämys viittaa siihen, että tapa, jolla hiukkasfysiikka toimii tällä hetkellä, ei vain ole täysin vakaa, mikä jättää maailmankaikkeuden alttiiksi tälle rappeutumiselle käsitellä asiaa. Joten jos ymmärtäisimme paremmin hiukkasfysiikkaa, jos ymmärtäisimme paremmin maailmankaikkeuden hyvin, hyvin varhaiset osat, voisimme sanoa jotain näistä kahdesta mallista. Mutta toistaiseksi emme voi sulkea niitä pois emmekä sanoa varmasti, että ne ovat niin kuin asiat menevät.

Mikä kaikista skenaarioista on todennäköisin?

Lämpökuolemaa pidetään todennäköisimpänä, osittain siksi, että se vaatii vähiten ylimääräisiä outoja asioita. Joten kosmologiassa haluamme pitää asiat mahdollisimman yksinkertaisina. Emme halua olettaa mitään uusia universumin komponentteja, ellei meidän ole aivan pakko. Ja lämpökuoleman skenaariossa on eräänlainen pimeä energia, joka on tämä kosmologinen vakio, jota emme täysin ymmärrä. Mutta se on ajatus, joka on ollut olemassa Einsteinista lähtien, ja se on vain aika-avaruuden ominaisuus, että siihen on sisäänrakennettu pieni laajennus.

Joten tämä antaa meille hyvin yksinkertaisen, suoraviivaisen evoluution, jossa maailmankaikkeus jatkaa laajentumistaan ​​ikuisesti ja kaikki vain hiipuu. Ja siinä on paljon järkeä, jos universumissa on pimeää ainetta, säännöllistä ainetta ja kosmologinen vakio pimeänä energiana. Sinun ei tarvitse olettaa mitään sen monimutkaisempaa. Tämä tarkoittaa sitä, että inflaatio tapahtui, ja se oli maailmankaikkeuden alku. Se on osa niin kutsuttua kosmologian konkordanssimallia, jossa kaikki on niin yksinkertaista ja tylsää kuin voit kuvitella sen olevan.

Mutta syy siihen, miksi emme vain tyydy siihen ja sano, että olemme valmiita, johtuu siitä, että emme todellakaan tiedä varmasti, että pimeä energia on kosmologinen käsite. Ja se jättää tilaa. Emme myöskään voi sanoa varmasti, että ymmärrämme hiukkasfysiikkaa tarpeeksi sanoaksemme, että tyhjiöhajoaminen ei tapahtua tai että varhainen universumin evoluutio ei ollut tarpeeksi erilainen antaakseen ymmärtää jonkin syklisen vaiheen loppu.

Mainitset joitain uudet radioteleskoopit jonka avulla tiedemiehet voivat seurata maailmankaikkeuden ensimmäisten rakenteiden muodostumista. Mitä asiantuntijat toivovat oppivansa tästä?

Saamme paremman kuvan kosmoksen evoluutiosta tämän taustavalon ja nykyaikaisen universumin välisen ajanjakson aikana, jossa olemme, tiedätkö, universumi täynnä galakseja. Aikaa on kohtuullisen suuri, jolloin meillä on vähän tietoa siitä, mitä silloin tapahtui. Joten opimme paljon kosmoksen evoluutiosta. Saamme vain mittauksia useammista galakseista. Mainitsin siis kirjassa Vera Rubinin observatorion, joka kartoittaa jotain miljardeja galaksit ja näytä meille, kuinka ne liikkuvat maailmankaikkeudessa ja kuinka ne kehittyvät ajan myötä ja miten ne hajautettu. Ja se antaa meille paljon tietoa vain maailmankaikkeuden asettelusta ja kosmoksen kehityksestä. Joten ne ovat tärkeitä vihjeitä.

Saatamme myös oppia muista fysiikan näkökohdista. Joten olen kiinnostunut joistakin näistä suurista radioteleskooppiryhmistä, koska ne saattavat kertoa meille jotain pimeästä aineesta, jos pimeä aine on tuhoutumassa kaukaisessa universumissa. Se voi muuttaa tapaa, jolla ensimmäiset tähdet ja galaksit kehittyvät, ja se saattaa antaa meille vihjeitä seuraavaan hiukkasfysiikan vaiheeseen. Ja niinpä on monia asioita, joita voimme ehkä täyttää, jos meillä on vain paljon enemmän tietoja kaukainen maailmankaikkeus, varhainen universumi, muut galaksit – eräänlainen galaksiaikakauden kynnyksellä, saatat sanoa. Kyse on todellakin vain paremman kartan ja paremman historian hankkimisesta ja yllätyksiä etsimisestä. Tiedätkö, toivomme todella, että näemme uusia ja mielenkiintoisia ilmiöitä, kun saamme yhä enemmän tietoa.

Voitko selittää eron pimeää energiaa ja pimeä aine?

Niin, pimeä aine ja pimeä energia vaikuttavat maailmankaikkeuteen melko päinvastoin. Heidän kahden kesken ne ovat kosmoksen tärkeimmät osat, jos ajattelet sen pitkän aikavälin kehitystä. Pimeä energia on siis jotain, joka saa universumin laajenemaan nopeammin. Se tavallaan venyttää tilaa. Se todella hallitsee kosmoksen kehitystä tästä eteenpäin. Siitä alkoi tulla todella, todella tärkeää noin viisi miljardia vuotta sitten. Ja se on tavallaan vallannut maailmankaikkeuden nyt. Ja siksi olemme sen armoilla kosmoksen kehityksen suhteen tästä eteenpäin.

Mutta pimeä aine on tavallaan vastuussa kaikesta rakenteen muodostumisesta kosmoksessa, eli galaksien ja galaksiklustereiden kasvusta. Ne kaikki on rakennettu pimeän aineen rakennustelineille. Joten pimeä aine on jonkinlaista näkymätöntä ainetta, mutta se on suurin osa maailmankaikkeuden aineesta, ja siinä on ominaisuudet, joiden avulla sen on helpompi kokoontua yhteen ja rakentaa rakennusteline, jolle kaikki muu aine on on rakennettu. Ja koska se on ainetta, koska se on suurin osa universumin aineesta, se toimii yrittääkseen hidastaa maailmankaikkeuden laajenemista. Ja jonkin aikaa se hidasti maailmankaikkeuden laajenemista, ja vasta noin viisi miljardia vuotta sitten maailmankaikkeus kasvoi niin suureksi, että pimeä energia vain otti vallan.

Innostuksesi tulee paljon läpi kirjassa, varsinkin kun puhut esimerkiksi Hubblen säteestä. Mitkä ovat muut asiat, jotka ovat niin jännittäviä alallasi, että voit vain jakaa muiden ihmisten kanssa?

Tarkoitan, vain se tosiasia, että voimme nähdä menneisyyden hyvin suoraan, räjäyttää edelleen mieltäni. Se, että voimme nähdä alkuräjähdyksen viimeiset vaiheet suoraan kaukoputkilla, mikroaaltouunivastaanottimilla. Poimimme valoa alkuräjähdyksen viimeisistä vaiheista joka suuntaan. Se tosiasia, että voimme vain katsoa universumiin ja nähdä menneisyyden ja siten oppia omasta historiastamme, on mielestäni erittäin hämmästyttävää. Se hämmästyttää minua koko ajan. Ja sitten, tiedäthän, on vain kaikki nämä kosmologian omituiset puolet, outoja asioita fysiikassa, jotka tulevat esiin, jos olet universumissa, joka laajenee ja jota suhteellisuusteoria hallitsee. Joten mainitsit tämän asian jossain vaiheessa, että galaksit lakkaavat näyttämään enää pienemmiltä. Tiedätkö, samankokoinen galaksi alkaa näyttää isommalta, mikä on outoa, kun kuljet kauemmas ja kauemmas.

Sitten on vain se tosiasia, että voimme nähdä maailmankaikkeuden laajenemisen, että voimme kartoittaa sen ajan myötä, on hämmästyttävää. En edes tiedä, puhuinko todella tästä kirjassa, mutta kun katsomme hyvin kaukaisia ​​supernoveja, auringon räjähdyksiä, ne ilmestyvät tapahtua hitaammin, jos ne ovat kaukana, koska universumin laajeneminen venyttää aikaa myös tässä todella oudossa tapa. Joten tapa, jolla tila ja aika ovat vuorovaikutuksessa keskenään, tulee hyvin hämmentäväksi ja oudoksi, kun käsittelet kosmologiaa, ja se on todella mielenkiintoista. Tiedätkö, suhteellisuusteoria vain tekee outoja asioita tilaan ja aikaan kaikenlaisissa yhteyksissä. Se on mielestäni upea ja siisti.

Kosmologiassa on paljon tuntematonta. Mikä on yksi mysteeri, jonka haluaisit ratkaista?

Oi, niitä on niin monia. Koko pimeän aineen/pimeän energian asia on valtava. Jos tietäisimme pimeän aineen luonteen, se auttaisi varmasti suuresti fysiikan ymmärrystämme yleisesti.

Mutta luulen, että ehkä kaikkein vaikuttavin asia olisi tietää, tapahtuiko inflaatio ja sitten, miten ja miksi. Joten vain pienen, pienen hetken täyttäminen maailmankaikkeuden alussa muuttaisi todella kaiken kuvassamme kosmoksesta. Jos tietäisimme varmasti, että näin tapahtui, se kertoisi meille jotain maailmankaikkeuden alkuperästä, mikä auttaisi meitä sanomaan jotain myös sen tulevaisuudesta. Se todella antaisi meille mahdollisuuden hallita kosmoksen perusrakennetta. Joten kyllä, inflaation, pimeän aineen, pimeän energian ymmärtäminen, ne ovat sellaisia ​​suuria, mielestäni. Ja sitten, tiedäthän, on asioita, kuten keksiminen kuinka yhdistää yleinen suhteellisuusteoria ja hiukkasfysiikka. Mutta luulen, että jos tietäisimme vastaukset inflaatioon, pimeään aineeseen ja pimeään energiaan, se antaisi meille paljon vihjeitä siitä, kuinka koota täydellisempi kuva fysiikasta.

Kirjoitat kirjassa hieman eksistentialismista ja pelosta. Onko tämä vain jotain, jota mietit, koska kirjoitat tätä kirjaa, vai onko se aina olemassa?

Olenko ahdistunut? Tarkoitan, mielestäni se on ehdottomasti jotain, jonka kanssa minusta tuntui, että minun piti painiskella kirjan eteen, koska minä ajattele, että on luonnollista kysyä, jos emme jatka ikuisesti, mitä se edes tekee tarkoittaa? Kuten, mikä on elämän tarkoitus? Mikä on olemassaolon tarkoitus, jos sillä on päättymispäivä? Joten se oli ehdottomasti jotain, joka tuli esiin pohtiessa kaikkia näitä suuria kysymyksiä. En ole sellainen, joka viettää kaiken aikani pohtien elämän tarkoitusta yleensä. En yleensä joudu sellaisiin asioihin. Ja minä en myöskään ole joku, joka haluaa ajatella kuolemaa. Yritin kovasti välttää ajattelemasta kuolemaa, koska se oli mielestäni hyvin huolestuttavaa. Joten se todella sai aikaan tämän kirjan pohtimisesta ja yrittämisestä laittaa kontekstin näiden suurten ideoiden ympärille, koska todellisuus on, että meillä on emotionaalinen vastaus maailmankaikkeuteen. Vaikka se vaikuttaa järjettömältä puhtaasti käytännön näkökulmasta, on vaikea välttää tätä vastausta.

Toimittajien suositukset

• 5 000 "silmää" skannaa yötaivasta löytääkseen vihjeitä pimeän energian palapeliin
• Kuinka kasvojentunnistus auttaa tähtitieteilijöitä paljastamaan pimeän aineen salaisuudet
• Avaruusteleskooppi tutkimaan pimeän energian ja pimeän aineen mysteereitä