Ecco come finirà l'universo, secondo un astrofisico

“Le nostre contemplazioni del cosmo ci stimolano”, disse una volta il defunto astronomo Carl Sagan. “C'è un formicolio alla schiena, un tremito nella voce, una debole sensazione, come se fosse un lontano ricordo di caduta da una grande altezza." Se riflettere sull'universo ti fa rabbrividire, pensare alla sua fine può farti venire i brividi terremoto.

Nel suo nuovo libro, La fine di tutto: (astrofisicamente parlando), l'astrofisica teorica Dr. Katie Mack inizia con il Big Bang, la teoria su come è iniziato l'universo. Il suo inizio può dire molto ai cosmologi come lei sulla sua inevitabile fine. Accompagna allegramente i lettori attraverso cinque apocalissi astrofisiche: il grande scricchiolio, la morte termica, il grande squarcio, il decadimento del vuoto e il grande rimbalzo. Per impedirti di rimanere intrappolato nel plasma di quark e gluoni (non preoccuparti, lo spiega), Mack mantiene tutto accessibile e colloquiale. È molto più divertente di quanto ti aspetteresti da un libro sulla fine dell'universo. Non lasciare che il terrore esistenziale che l'universo stia per finire ti abbatta, sembra dire.

Abbiamo parlato con Mack dell'energia oscura rispetto alla materia oscura, di come i telescopi ci permettono letteralmente di guardare nel passato e della stranezza dello spazio.

(Questa conversazione è stata leggermente modificata per maggiore chiarezza.)

Tendenze digitali: cosa ti ha spinto a scrivere questo libro?

Mac: Nel corso degli anni ho studiato molte cose diverse nell’area, in generale, della cosmologia. Quindi, la cosmologia copre l'universo nel suo insieme, i suoi componenti e la sua evoluzione. Ho lavorato sull'universo primordiale. Ho lavorato sulla materia oscura, sui buchi neri, sull'evoluzione delle galassie, su tutto questo genere di cose. E ultimamente sono stato molto interessato alla fine dell’universo. ed è più o meno così che è nato questo libro.

Il tuo libro offre una spiegazione molto accessibile su come siamo in grado di osservare il Big Bang. Puoi spiegarci tutto ciò?

Quindi, l’idea è che se l’universo è attualmente in espansione – cosa che osserviamo, vediamo le galassie allontanandosi gli uni dagli altri – allora è logico che in passato l’universo fosse di più compresso. Quindi tutto era più vicino. E puoi in un certo senso richiamare quell'interno e arrivi a un punto in cui tutto era uno sopra l'altro.

Quindi, man mano che l'universo si espande, diventa più freddo, la materia diventa più diffusa, l'energia diventa più diffusa. In passato doveva essere più caldo, più denso e, in un certo senso, più piccolo di oggi. Quindi questa è fondamentalmente la teoria del Big Bang. Questa è l’affermazione più semplicistica della teoria del Big Bang, semplicemente che in passato l’universo era più caldo, più piccolo e più denso.

E se è così, allora è anche logico che se guardi abbastanza lontano, guarderai sempre più indietro nel tempo, a causa del tempo impiegato dalla luce per arrivare fino a te. E quindi dovresti essere in grado di arrivare a un punto in cui se l'universo fosse davvero caldo e denso ovunque - se il Big Bang fosse qualcosa che è accaduto in tutto il cosmo - allora potresti dovrebbero essere in grado di vedere parti dell’universo che sono così lontane da essere ancora in quello stato caldo e denso, che sono ancora nelle fasi finali di quella specie di palla di fuoco primordiale esistenza.

E per arrivarci, devi presupporre che l'universo sia grande e sia sempre stato una cosa estesa, cosa che noi crediamo. Pensiamo che il Big Bang sia qualcosa che è accaduto ovunque. Non esiste un unico punto di origine. Quindi, se segui questo ragionamento, allora dovrebbe esserci una luce di fondo. Dovrebbe esserci luce che arriva da ogni direzione, dai luoghi più lontani, da quanto più lontano possiamo vedere. Dovrebbe esserci la luce che è quella rimasta dal raffreddamento finale di quello stato infuocato del cosmo.

Il libro esplora cinque possibili modi in cui l’universo potrebbe finire. Perché ci sono così tanti modi diversi in cui potrebbe andare?

Beh, si tratta di alcune cose. Uno è che non comprendiamo appieno cosa sta facendo espandere l’universo nel modo in cui è adesso. C'è stato un tempo in cui pensavamo che sarebbe stato abbastanza semplice perché avevamo una buona teoria della gravità, della relatività generale e noi potevamo misurare il tasso di espansione dell'universo e sapevamo come tutte le cose nell'universo avrebbero dovuto rallentare espansione. E quindi, era solo questione di trovare l'equilibrio tra l'espansione e la gravità.

Quindi, se l’espansione fosse troppo veloce per tutta la gravità, non la rallenterebbe abbastanza e si espanderebbe per sempre. E se l’espansione non fosse abbastanza veloce o se ci fosse troppa gravità, allora la gravità vincerebbe, rallenterebbe l’espansione, la fermerebbe, e avremmo un recollaspe – il big crunch. E così per un certo periodo quelle furono le uniche opzioni che avevano senso.

Ma poi, quando si scoprì che l’universo stava effettivamente accelerando nella sua espansione, dovemmo aggiungere una nuova componente all’universo. Abbiamo dovuto rivedere la nostra comprensione e inserire questa cosa chiamata energia oscura. E l’energia oscura è qualcosa che sta facendo espandere l’universo più velocemente. Ma poiché non comprendiamo veramente l’energia oscura, non possiamo dire con molta certezza che è lì che stanno andando le cose. Ecco perché cose come il big rip o il big crunch sono ancora sul tavolo e la morte termica è quella verso cui sembra che ci stiamo dirigendo.

E poi le due idee stravaganti, il decadimento del vuoto e le cosmologie rimbalzanti, derivano dal fatto che c’è ancora molto che stiamo ancora cercando di capire sull’universo primordiale e sulla fisica delle particelle. Quindi la cosmologia rimbalzante è nata dall’idea che forse la nostra migliore ipotesi attuale sull’universo primordiale, questa fase inflazionistica, forse non è tutta la storia. Forse non è successo. Forse c'è stata qualche altra evoluzione nell'universo primordiale che ha portato alle condizioni che vediamo oggi. E se questo è vero, allora alcune di queste idee possono portare a queste strane cosmologie cicliche.

E poi l'idea del decadimento del vuoto deriva in realtà dal fatto che la nostra conoscenza della fisica delle particelle è incompleta, e la migliore comprensione attuale della nostra La conoscenza della fisica delle particelle suggerisce che il modo in cui funziona la fisica delle particelle in questo momento non è del tutto stabile, il che lascia l’universo vulnerabile a questo decadimento processi. Quindi, se comprendessimo meglio la fisica delle particelle, se comprendessimo meglio le primissime parti dell’universo, allora saremmo in grado di dire qualcosa su questi due modelli. Ma per ora non possiamo né escluderli né dire con certezza che così andranno le cose.

Tra tutti gli scenari, qual è il più probabile?

La morte termica è considerata la più probabile, in parte perché richiede il minor numero di cose strane aggiuntive. Quindi, in cosmologia, ci piace mantenere le cose il più semplici possibile. Ci piace non assumere alcuna nuova componente dell'universo a meno che non sia assolutamente necessario. E lo scenario della morte termica ha una sorta di energia oscura che è questa costante cosmologica, che è qualcosa che non comprendiamo del tutto. Ma è un’idea che esiste dai tempi di Einstein, ed è semplicemente una proprietà dello spaziotempo, il fatto che abbia questa piccola espansione incorporata.

Questo ci dà un'evoluzione molto semplice e diretta, in cui l'universo continua ad accelerare nella sua espansione per sempre e tutto svanisce. E questo ha molto senso se l’universo ha materia oscura, materia regolare e una costante cosmologica come l’energia oscura. Non devi assumere nulla di più complicato di così. Ciò implica implicitamente che l’inflazione sia effettivamente avvenuta e che quello sia stato l’inizio dell’universo. Fa parte del cosiddetto modello di concordanza della cosmologia in cui tutto è semplice e noioso come puoi immaginare.

Ma la ragione per cui non ci accontentiamo semplicemente di questo e diciamo che abbiamo finito è perché in realtà non sappiamo con certezza che l’energia oscura sia un concetto cosmologico. E questo lascia un po' di spazio. Inoltre, non possiamo dire con certezza se comprendiamo abbastanza la fisica delle particelle per dire che il decadimento del vuoto non lo farà accadere o che l’evoluzione primordiale dell’universo non fosse abbastanza diversa da implicare una fase ciclica in quel momento FINE.

Ne menzioni alcuni nuovi radiotelescopi che consentirà agli scienziati di osservare la formazione delle prime strutture dell'universo. Cosa sperano di imparare gli esperti da ciò?

Avremo un quadro migliore dell'evoluzione del cosmo attraverso questo periodo tra la luce di fondo e l'universo moderno dove siamo, sai, l'universo pieno di galassie. C’è un periodo di tempo ragionevolmente ampio in cui abbiamo poche informazioni su ciò che stava accadendo in quel momento. Quindi impareremo molto sull’evoluzione del cosmo. Otterremo solo misurazioni di molte più galassie. Quindi ho menzionato nel libro l'Osservatorio Vera Rubin, che mapperà qualcosa come miliardi di le galassie e ci mostrano come si muovono nell'universo e come si evolvono nel tempo e come sono distribuito. E questo ci fornirà molte informazioni solo sulla struttura dell’universo e sull’evoluzione del cosmo. Quindi quelli saranno indizi importanti.

Potremmo anche conoscere altri aspetti della fisica. Quindi sono interessato ad alcuni di questi grandi sistemi di radiotelescopi, perché potrebbero essere in grado di dirci qualcosa sulla materia oscura, se la materia oscura si sta annichilando nell'universo lontano. Ciò può cambiare il modo in cui si evolvono le prime stelle e galassie e potrebbe fornirci alcuni indizi sul prossimo passo nella fisica delle particelle. E quindi ci sono molte cose che potremmo essere in grado di compilare se solo avessimo molti più dati su universo lontano, l'universo primordiale, altre galassie: una sorta di alba dell'era galattica, potresti Dire. Si tratta solo di ottenere una mappa migliore, una storia migliore e cercare sorprese. Sapete, speriamo davvero di vedere fenomeni nuovi e interessanti man mano che otteniamo sempre più dati.

Puoi spiegare la differenza tra energia oscura E materia oscura?

Sì, quindi la materia oscura e l'energia oscura agiscono sull'universo in modi abbastanza opposti. Tra i due, sono gli aspetti più importanti del cosmo se si pensa alla sua evoluzione a lungo termine. Quindi l’energia oscura è qualcosa che fa espandere l’universo più velocemente. In un certo senso allunga lo spazio. Governa davvero l’evoluzione del cosmo, da qui in avanti. Ha iniziato a diventare davvero, davvero importante circa cinque miliardi di anni fa. E ora sta prendendo il controllo dell’universo. E quindi siamo alla sua mercé in termini di evoluzione del cosmo da qui in poi.

Ma la materia oscura è in un certo senso responsabile di tutto l’accumulo di strutture nel cosmo, quindi della crescita delle galassie e degli ammassi di galassie. Sono tutti costruiti sull’impalcatura della materia oscura. Quindi la materia oscura è una sorta di materia invisibile, ma costituisce la maggior parte della materia nell’universo, e ne contiene una certa quantità proprietà che rendono più facile riunirsi e costruire l’impalcatura su cui tutte le altre contano è costruito. E poiché è materia, poiché costituisce la maggior parte della materia nell’universo, agisce per cercare di rallentare l’espansione dell’universo. E per un po’ ha rallentato l’espansione dell’universo, e solo circa cinque miliardi di anni fa l’universo è diventato così grande che l’energia oscura ha preso il sopravvento.

Il tuo entusiasmo traspare molto nel libro, soprattutto quando parli di cose come il raggio di Hubble. Quali sono alcune delle altre cose del genere che sono così entusiasmanti nel tuo campo che devi condividere con altre persone?

Voglio dire, solo il fatto che possiamo vedere il passato in modo molto diretto continua a lasciarmi a bocca aperta. Il fatto che possiamo vedere le fasi finali del Big Bang direttamente con i telescopi, con i ricevitori a microonde. Stiamo captando la luce dalle fasi finali del Big Bang in ogni direzione. Il fatto che possiamo semplicemente guardare nell’universo e vedere il passato e quindi conoscere la nostra storia, penso che sia davvero sorprendente. Ciò mi stupisce continuamente. E poi, sai, ci sono proprio tutti questi strani aspetti della cosmologia, cose strane in fisica che emergono se ti trovi in ​​un universo in espansione e governato dalla relatività. Quindi hai menzionato questa cosa a un certo punto, le galassie smettono di sembrare più piccole. Sapete, una galassia della stessa dimensione inizierebbe a sembrare più grande, il che è strano, man mano che si va sempre più lontano.

Poi c’è il fatto che possiamo vedere l’espansione dell’universo, che possiamo mapparla nel tempo, è sorprendente. Non so nemmeno se ne ho parlato davvero nel libro, ma quando guardiamo le supernovae molto distanti, le esplosioni solari, appaiono avvengano più lentamente se sono lontani, perché l'espansione dell'universo allunga anche il tempo in questo modo davvero strano modo. Quindi il modo in cui spazio e tempo interagiscono tra loro diventa molto confuso e strano quando hai a che fare con la cosmologia, e questo è davvero interessante. Sapete, la relatività fa cose strane allo spazio e al tempo in tutti i tipi di contesti. Questo lo trovo fantastico e fantastico.

Ci sono molte cose sconosciute nella cosmologia. Qual è il mistero che ti piacerebbe risolvere?

Oh, ce ne sono così tanti. L’intera faccenda della materia oscura/energia oscura è enorme. Se conoscessimo la natura della materia oscura, ciò sarebbe sicuramente di grande aiuto anche solo per la nostra comprensione della fisica in generale.

Ma penso che la cosa che forse avrebbe più impatto sarebbe davvero sapere se si è verificata l’inflazione e poi, come e perché. Quindi, riempire anche solo un piccolissimo momento di tempo all’inizio dell’universo cambierebbe davvero tutto sulla nostra immagine del cosmo. Se sapessimo con certezza che ciò è accaduto, ciò ci direbbe qualcosa sull'origine dell'universo che ci aiuterebbe a poter dire qualcosa anche sul suo futuro. Ci permetterebbe davvero di avere un controllo sulla struttura fondamentale del cosmo. Quindi, sì, capire l'inflazione, la materia oscura, l'energia oscura, quelli sono quelli più grandi, penso. E poi, sai, ci sono cose come capire come collegare la relatività generale e la fisica delle particelle. Ma penso che se conoscessimo le risposte all'inflazione, alla materia oscura e all'energia oscura, penso che questo ci darebbe molti indizi su come mettere insieme un quadro più completo della fisica.

Nel libro scrivi qualcosa sull'esistenzialismo e sulla paura. È solo qualcosa su cui stai riflettendo mentre stai scrivendo questo libro, o è sempre lì?

Sono perseguitato? Voglio dire, penso che sia sicuramente qualcosa con cui sentivo di dover fare i conti per il libro, perché io penso che sia naturale porsi la domanda, sai, se non andiamo avanti all'infinito, cosa significa? Significare? Tipo, qual è il significato della vita? Qual è lo scopo dell’esistenza se ha una data di fine? Quindi è stato sicuramente qualcosa che è venuto fuori pensando a tutte queste grandi domande. Non sono qualcuno che passa tutto il tempo a riflettere sul significato della vita in generale. Di solito non mi faccio prendere da queste cose. E inoltre, non sono qualcuno a cui piace pensare alla morte. Ho cercato con tutte le mie forze di evitare di pensare alla morte perché la trovo molto preoccupante. Quindi è stato davvero motivato pensando a questo libro e cercando di contestualizzare queste grandi idee, perché la realtà è che abbiamo una risposta emotiva all'universo. Anche se ciò sembra irrazionale da un punto di vista strettamente pratico, è difficile evitare di avere una risposta del genere.

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