כך יסתיים היקום, על פי אסטרופיזיקאי

"ההרהורים שלנו על הקוסמוס מעוררים אותנו", אמר פעם האטרונום המנוח קרל סייגן. "יש עקצוץ בעמוד השדרה, תפס בקול, תחושה קלושה, כאילו זיכרון רחוק של נפילה מגובה רב". אם השתקפות ביקום גורמת לך לצמרמורת, חשיבה על סופו יכולה לגרום לך רְעִידַת אֲדָמָה.

בספר החדש שלה, הסוף של הכל: (מבחינה אסטרופיזיקלית), האסטרופיזיקאית התיאורטית ד"ר קייטי מאק מתחילה עם המפץ הגדול - התיאוריה כיצד התחיל היקום. ההתחלה שלו יכולה לספר לקוסמולוגים כמוה הרבה על סופו הבלתי נמנע. היא לוקחת את הקוראים בעליזות דרך חמש אפוקליפסות אסטרופיזיקה: החרדה הגדולה, מוות החום, הקריעה הגדולה, ריקבון ואקום והקפיצה הגדולה. כדי למנוע ממך להיתקע בפלזמת הקווארק-גלואון (אל תדאג, היא מסבירה את זה), מאק שומרת על הכל נגיש ודיבורי. זה הרבה יותר כיף ממה שהיית מצפה שספר על סוף היקום יהיה. אל תיתן לאימה הקיומית שנגמר היקום להפיל אותך, נדמה שהיא אומרת.

דיברנו עם מאק על אנרגיה אפלה מול חומר אפל, איך טלסקופים מאפשרים לנו ממש להסתכל אל העבר, והמוזרות של החלל.

(שיחה זו עברה עריכה קלה למען הבהירות.)

מגמות דיגיטליות: מה הניע אותך לכתוב את הספר הזה?

מאק: במהלך השנים, למדתי הרבה דברים שונים בתחום, באופן נרחב, של קוסמולוגיה. אז, הקוסמולוגיה מכסה, אתם יודעים, את היקום בכללותו ומרכיביו והאבולוציה שלו. עבדתי על היקום המוקדם. עבדתי על חומר אפל, חורים שחורים, התפתחות הגלקסיות, כל מיני דברים כאלה. ובזמן האחרון אני מאוד מתעניין בסוף היקום. וככה הספר הזה צמח.

הספר שלך מציע הסבר נגיש מאוד לאופן שבו אנו מסוגלים לצפות במפץ הגדול. אתה יכול להדריך אותנו דרך זה?

לכן, הרעיון הוא שאם היקום כרגע מתרחב - שאנו רואים בו, אנו רואים גלקסיות מתרחקים זה מזה - אז ברור שבעבר היקום היה יותר דָחוּס. אז הכל היה קרוב יותר זה לזה. ואתה יכול לחייג את השלוחה הזו בחזרה ותגיע לנקודה שבה הכל היה בערך אחד על השני.

לכן, כשהיקום מתפשט, הוא מתקרר, החומר מתפזר יותר, האנרגיה מתפזרת יותר. בעבר בטח היה חם וצפוף יותר ובמובן מסוים קטן יותר מהיום. אז זו בעצם תיאוריית המפץ הגדול. זו ההצהרה הפשטנית ביותר של תיאוריית המפץ הגדול, רק שהיקום היה חם וקטן יותר וצפוף יותר בעבר.

ואם זה המקרה, אז גם הגיוני שאם אתה מסתכל רחוק מספיק, אתה מסתכל יותר ויותר אחורה בזמן, בגלל הזמן שלוקח לאור לנסוע אליך. וכך אתה אמור להיות מסוגל להגיע לנקודה שבה אם היקום באמת היה חם וצפוף בכל מקום - אם המפץ הגדול היה משהו שקרה בכל הקוסמוס - אז אתה צריך להיות מסוגל לראות חלקים מהיקום שהם כל כך רחוקים שהם עדיין במצב החם והצפוף הזה, שהם עדיין בשלבים האחרונים של כדור אש קדמוני כזה קִיוּם.

וכדי להגיע לשם, אתה צריך להניח שהיקום גדול ותמיד היה דבר מורחב, שאנו מאמינים בו. אנחנו חושבים שהמפץ הגדול הוא משהו שקרה בכל מקום. אין נקודת מוצא אחת. אז אם אתה עוקב אחר ההיגיון הזה, אז צריך להיות אור רקע. צריך להגיע אלינו אור מכל כיוון, מהמקומות הרחוקים ביותר, הכי רחוק שנוכל לראות. צריך להיות האור שהוא האור שנותר מההתקררות הסופית של אותו מצב לוהט של הקוסמוס.

הספר בוחן חמש דרכים אפשריות שהיקום יכול להסתיים. למה יש כל כך הרבה דרכים שונות שזה יכול ללכת?

ובכן, זה מסתכם בכמה דברים. האחת היא שאנחנו לא לגמרי מבינים מה גורם ליקום להתרחב כפי שהוא כרגע. הייתה תקופה שחשבנו שזה יהיה די פשוט כי הייתה לנו תיאוריה טובה של כוח הכבידה, תורת היחסות הכללית, ואנחנו יכול למדוד את קצב ההתפשטות של היקום, וידענו איך כל החומר ביקום צריך להאט את הַרחָבָה. אז, זה היה רק ​​עניין של להבין את האיזון בין ההתרחבות לכוח המשיכה.

אז אם ההתפשטות הייתה מהירה מדי עבור כל כוח המשיכה, אז זה לא היה מאט אותה מספיק והיא תתרחב לנצח. ואם ההתרחבות לא הייתה מהירה מספיק או אם היה יותר מדי כוח הכבידה, אז כוח המשיכה היה מנצח, מאט את ההתרחבות, עוצר אותה, והיה לנו התמודדות חוזרת - המשבר הגדול. וכך, במשך זמן מה, אלו היו האפשרויות היחידות שהיו הגיוניות.

אבל אז, כשהתגלה שהיקום בעצם מאיץ בהתפשטותו, היינו צריכים להוסיף מרכיב חדש ליקום. היינו צריכים לשנות את ההבנה שלנו ולהכניס את הדבר הזה שנקרא אנרגיה אפלה. ואנרגיה אפלה היא משהו שגורם ליקום להתרחב מהר יותר. אבל בגלל שאנחנו לא באמת מבינים את האנרגיה האפלה, אנחנו לא יכולים לומר בוודאות רבה שלשם הדברים הולכים. לכן, זו הסיבה שדברים כמו הקרע הגדול או הקראנץ' הגדול עדיין על השולחן ומוות מחום הוא זה שנראה שאנחנו הולכים לקראתו.

ואז שני הרעיונות המוזרים, ריקבון ואקום וקוסמולוגיות מקפצות, באים מהעובדה שיש הרבה שאנחנו עדיין מנסים להבין על היקום המוקדם מאוד ועל פיזיקת החלקיקים. אז הקוסמולוגיה המקפצת יצאה מהרעיון שאולי הניחוש הטוב ביותר הנוכחי שלנו על היקום המוקדם מאוד, השלב האינפלציוני הזה, אולי זה לא כל הסיפור. אולי זה לא קרה. אולי הייתה איזו אבולוציה אחרת ביקום המוקדם מאוד שהובילה לתנאים שאנו רואים היום. ואם זה נכון, אז כמה מהרעיונות האלה יכולים להוביל לקוסמולוגיות המחזוריות המוזרות האלה.

ואז הרעיון של ריקבון ואקום באמת נובע מהעובדה שהידע שלנו בפיזיקה של החלקיקים אינו שלם, וההבנה הטובה ביותר הנוכחית שלנו ידע בפיזיקה של חלקיקים מצביע על כך שהאופן שבו פיזיקת החלקיקים פועלת כרגע היא פשוט לא יציבה לחלוטין, מה שמותיר את היקום פגיע להתפרקות זו תהליך. אז אם היינו מבינים טוב יותר את פיזיקת החלקיקים, אם נבין טוב יותר את החלקים המוקדמים מאוד של היקום, אז נוכל לומר משהו על שני המודלים האלה. אבל לעת עתה, אנחנו לא יכולים לשלול אותם או לומר בוודאות שהם הדרך שבה הדברים יתנהלו.

מבין כל התרחישים, מה הסביר ביותר?

מוות מחום נחשב לסביר ביותר, בין השאר משום שהוא דורש כמה שפחות דברים מוזרים נוספים. אז, בקוסמולוגיה, אנחנו אוהבים לשמור על דברים פשוטים ככל האפשר. אנחנו אוהבים לא להניח מרכיבים חדשים של היקום אלא אם כן אנחנו חייבים. ולתרחיש המוות בחום יש סוג של אנרגיה אפלה שהיא הקבוע הקוסמולוגי הזה, וזה משהו שאנחנו לא לגמרי מבינים. אבל זה רעיון שקיים מאז איינשטיין, וזה רק תכונה של מרחב-זמן, שיש בו את הרחבה הקטנה הזו מובנית בתוכו.

אז זה נותן לנו אבולוציה מאוד פשוטה וישירה, שבה היקום ממשיך להאיץ בהתפשטותו לנצח והכל פשוט מתפוגג. וזה הגיוני מאוד אם ביקום יש חומר אפל, חומר רגיל וקבוע קוסמולוגי כאנרגיה האפלה. אתה לא צריך להניח משהו יותר מסובך מזה. משתמע מכך הוא שהאינפלציה אכן קרתה, וזו הייתה תחילתו של היקום. זה חלק ממה שנקרא מודל הקונקורדנס של הקוסמולוגיה שבו הכל פשוט ומשעמם כפי שאתה יכול לדמיין שהוא.

אבל הסיבה שאנחנו לא מסתפקים רק בזה ואומרים שסיימנו היא כי אנחנו באמת לא יודעים בוודאות שהאנרגיה האפלה היא מושג קוסמולוגי. וכך זה משאיר קצת מקום. אנחנו גם לא יכולים לומר בוודאות שאנחנו מבינים מספיק פיזיקת חלקיקים כדי לומר שריקבון ואקום לא לקרות או שהתפתחות היקום המוקדמת לא הייתה שונה מספיק כדי לרמוז על שלב מחזורי כלשהו סוֹף.

אתה מזכיר כמה טלסקופי רדיו חדשים שיאפשר למדענים לצפות במבנים הראשונים של היקום נוצרים. מה מקווים מומחים ללמוד מזה?

נקבל תמונה טובה יותר של התפתחות הקוסמוס במהלך התקופה הזו בין אור הרקע ליקום המודרני שבו אנחנו, אתם יודעים, היקום המלא בגלקסיות. יש פרק זמן בגודל סביר שבו יש לנו מעט מידע על מה שהתרחש אז. אז נלמד הרבה על התפתחות הקוסמוס. נקבל רק מדידות של הרבה יותר גלקסיות. אז הזכרתי בספר את מצפה הכוכבים של ורה רובין, שעומד למפות משהו כמו מיליארדים של גלקסיות ולהראות לנו כיצד הן נעות ביקום וכיצד הן מתפתחות לאורך זמן וכיצד הן מופץ. וזה ייתן לנו מידע רב רק על פריסת היקום ועל התפתחות הקוסמוס. אז אלה יהיו רמזים חשובים.

אנו עשויים גם ללמוד על היבטים אחרים של הפיזיקה. אז אני מתעניין בכמה ממערכי טלסקופ הרדיו הגדולים האלה, כי הם עשויים להיות מסוגלים לספר לנו משהו על חומר אפל, אם החומר האפל הולך ומחסל ביקום הרחוק. זה יכול לשנות את אופן התפתחות הכוכבים והגלקסיות הראשונות, וזה עשוי לתת לנו כמה רמזים לשלב הבא בפיזיקה של חלקיקים. ולכן יש הרבה דברים שאולי נוכל למלא אם רק יהיו לנו הרבה יותר נתונים על יקום מרוחק, היקום המוקדם, גלקסיות אחרות - סוג השחר של עידן הגלקסיות, אולי אמר. זה באמת עניין של פשוט להשיג מפה טובה יותר ולקבל היסטוריה טובה יותר ולחפש הפתעות. אתה יודע, אנחנו באמת מקווים שנראה תופעות חדשות ומעניינות ככל שאנו מקבלים יותר ויותר נתונים.

אתה יכול להסביר את ההבדל ביניהם אנרגיה שחורה ו חומר אפל?

כן, אז חומר אפל ואנרגיה אפלה פועלים על היקום בדרכים הפוכות למדי. בין שניהם, הם ההיבטים החשובים ביותר של הקוסמוס אם אתה חושב על האבולוציה ארוכת הטווח שלו. אז אנרגיה אפלה היא משהו שגורם ליקום להתרחב מהר יותר. זה סוג של מותח את החלל. זה באמת שולט באבולוציה של הקוסמוס, מכאן והלאה. זה התחיל להיות ממש ממש חשוב לפני אולי חמישה מיליארד שנים. וזה סוג של השתלטות על היקום עכשיו. ולכן אנו נתונים לחסדיו במונחים של התפתחות הקוסמוס מכאן והלאה.

אבל החומר האפל הוא בערך מה שאחראי לכל הצטברות המבנה בקוסמוס, ולכן הצמיחה של גלקסיות וצבירי גלקסיות. כל אלה בנויים על פיגום של חומר אפל. אז חומר אפל הוא סוג של חומר בלתי נראה, אבל זה רוב החומר ביקום, ויש לו כמה מאפיינים שמקלים עליו להתאגד ולבנות את הפיגום שעליו כל שאר הדברים חשובים בנוי. ומכיוון שזה חומר, כי זה רוב החומר ביקום, הוא פועל כדי לנסות ולהאט את התפשטות היקום. ובמשך זמן מה הוא האט את התפשטות היקום, ורק לפני כחמישה מיליארד שנים היקום הפך כל כך גדול שהאנרגיה האפלה פשוט השתלטה עליו.

ההתלהבות שלך עוברת הרבה בספר, במיוחד כשאתה מדבר על דברים כמו רדיוס האבל. מה הם כמה מהדברים האחרים שפשוט כל כך מרגשים בתחום שלך שפשוט יש לך לשתף עם אנשים אחרים?

זאת אומרת, עצם העובדה שאנחנו יכולים לראות את העבר בצורה ישירה מאוד ממשיכה לפוצץ את דעתי. העובדה שאנו יכולים לראות את השלבים האחרונים של המפץ הגדול ישירות עם טלסקופים, עם מקלטי מיקרוגל. אנחנו קולטים את האור מהשלבים האחרונים של המפץ הגדול לכל כיוון. העובדה שאנחנו יכולים פשוט להסתכל החוצה אל היקום ולראות את העבר ולכן ללמוד על ההיסטוריה שלנו, אני חושב שזה סופר מדהים. זה מדהים אותי כל הזמן. ואז, אתה יודע, יש רק את כל ההיבטים המוזרים האלה של הקוסמולוגיה, דברים מוזרים בפיזיקה שעולים אם אתה ביקום שמתרחב ונשלט על ידי תורת היחסות. אז הזכרת את הדבר הזה על כך שבשלב מסוים, גלקסיות מפסיקות להיראות קטנות יותר. אתה יודע, גלקסיה באותו גודל תתחיל להיראות גדולה יותר, וזה מוזר, ככל שאתה הולך רחוק יותר.

ואז יש רק העובדה שאנחנו יכולים לראות את התפשטות היקום, שאנחנו יכולים למפות את זה לאורך זמן, היא מדהימה. אני אפילו לא יודע אם באמת דיברתי על זה בספר, אבל כשאנחנו מסתכלים על סופרנובות רחוקות מאוד, פיצוצי שמש, הן מופיעות שיתרחשו לאט יותר אם הם רחוקים, כי התפשטות היקום מאריכה את הזמן גם במוזר הזה דֶרֶך. אז האופן שבו מרחב וזמן מתקשרים זה עם זה נהיה מאוד מבלבל ומוזר כשאתה עוסק בקוסמולוגיה, וזה באמת מעניין. אתה יודע, תורת היחסות פשוט עושה דברים מוזרים למרחב ולזמן בכל מיני הקשרים. זה נראה לי מדהים ומגניב.

יש הרבה בקוסמולוגיה שלא ידוע. מהי תעלומה אחת שתרצה לפתור?

הו, יש כל כך הרבה. כל עניין החומר האפל/אנרגיה האפל הוא עצום. אם היינו יודעים את טבעו של החומר האפל, זה בהחלט יהיה עזרה גדולה רק להבנתנו את הפיזיקה באופן כללי.

אבל אני חושב שהדבר שאולי יהיה המשפיע ביותר יהיה לדעת אם האינפלציה התרחשה ואז, כמו, איך ולמה. אז מילוי של רגע קטנטן וזעיר של זמן ממש בתחילת היקום באמת ישנה הכל בתמונת הקוסמוס שלנו. אם היינו יודעים בוודאות שזה קרה, זה היה אומר לנו משהו על מקור היקום שיעזור לנו להיות מסוגלים לומר משהו גם על עתידו. זה באמת יאפשר לנו לנהל את המבנה הבסיסי של הקוסמוס. אז, כן, הבנת אינפלציה, חומר אפל, אנרגיה אפלה, אלה הם מסוג הגדולים, אני חושב. ואז, אתה יודע, יש דברים כמו להבין איך לחבר את תורת היחסות הכללית לפיזיקה של חלקיקים. אבל אני חושב שאם היינו יודעים את התשובות לאינפלציה, חומר אפל ואנרגיה אפלה, אני חושב שזה ייתן לנו הרבה רמזים על איך להרכיב תמונה שלמה יותר של הפיזיקה.

אתה כותב קצת על אקזיסטנציאליזם ואימה בספר. האם זה רק משהו שאתה חושב עליו בגלל שאתה כותב את הספר הזה, או שהוא תמיד שם?

האם אני רדוף? כלומר, אני חושב שזה בהחלט משהו שהרגשתי שאני צריך להתמודד איתו בשביל הספר, כי אני חושב שזה טבעי לשאול את השאלה של, אתה יודע, אם לא נמשיך לנצח, מה זה בכלל מתכוון? כאילו, מהי משמעות החיים? מהי מטרת הקיום אם יש לו תאריך סיום? אז זה בהחלט היה משהו שעלה במחשבה על כל השאלות הגדולות האלה. אני לא מישהו שמבלה את כל זמני בהרהורים על משמעות החיים באופן כללי. אני בדרך כלל לא נתפס לדברים האלה. ואני גם, אני לא מישהו שאוהב לחשוב על המוות. השתדלתי מאוד להימנע מלחשוב על המוות כי אני מוצא את זה מאוד מטריד. אז זה באמת נוצר על ידי מחשבה על הספר הזה וניסיון לשים קצת הקשר סביב הרעיונות הגדולים האלה, כי המציאות היא שיש לנו תגובה רגשית ליקום. גם אם זה נראה לא הגיוני מנקודת מבט מעשית למהדרין, קשה להימנע מהתגובה הזו.

המלצות עורכים

• 5,000 'עיניים' יסרקו את שמי הלילה לאיתור רמזים לפאזל האנרגיה האפלה
• איך זיהוי פנים עוזר לאסטרונומים לחשוף את סודות החומר האפל
• טלסקופ חלל לחקור את מסתורי האנרגיה האפלה והחומר האפל