Dette er hvordan universet vil ende, ifølge en astrofysiker

"Våre kontemplasjoner av kosmos rører oss," sa den avdøde atronomen Carl Sagan en gang. "Det er en prikking i ryggraden, en hake i stemmen, en svak følelse, som om et fjernt minne om å falle fra stor høyde." Hvis det å reflektere over universet gir deg en skjelving, kan du få deg til å tenke på slutten skjelv.

I hennes nye bok, The End of Everything: (astrofysisk sett), starter teoretisk astrofysiker Dr. Katie Mack med Big Bang - teorien om hvordan universet begynte. Starten kan fortelle kosmologer som henne mye om dens uunngåelige slutt. Hun tar muntert leserne gjennom fem astrofysiske apokalypser: Den store knase, varmedød, den store riften, vakuumforfall og det store sprett. For å forhindre at du blir sittende fast i kvark-gluon-plasmaet (ikke bekymre deg, hun forklarer det), holder Mack alt tilgjengelig og samtale. Det er mye morsommere enn du forventer at en bok om universets ende skal være. Ikke la den eksistensielle frykten som tar slutt på universet, få deg ned, ser hun ut til å si.

Vi snakket med Mack om mørk energi versus mørk materie, hvordan teleskoper lar oss bokstavelig talt se inn i fortiden, og det rare med verdensrommet.

(Denne samtalen har blitt lett redigert for klarhetens skyld.)

Digitale trender: Hva fikk deg til å skrive denne boken?

Mack: I løpet av årene har jeg studert mye forskjellig i området, stort sett, av kosmologi. Så, kosmologi dekker, du vet, universet som helhet og dets komponenter og dets evolusjon. Jeg har jobbet med det tidlige universet. Jeg har jobbet med mørk materie, sorte hull, galakseevolusjon, alle slike ting. Og i det siste har jeg vært veldig interessert i universets ende. og det er på en måte denne boken oppsto.

Boken din gir en svært tilgjengelig forklaring på hvordan vi er i stand til å observere Big Bang. Kan du lede oss gjennom det?

Så ideen er at hvis universet for tiden utvider seg - som vi observerer, ser vi galakser beveger seg fra hverandre - da er det grunn til at i fortiden var universet mer komprimert. Så alt var tettere sammen. Og du kan på en måte slå den utvidelsen tilbake og du kommer til et punkt hvor alt var på en måte oppå hverandre.

Så når universet utvider seg, blir det kjøligere, materie blir mer diffus, energi blir mer diffus. Tidligere må det ha vært varmere og tettere og på en eller annen måte mindre enn i dag. Så det er egentlig Big Bang Theory. Det er den mest forenklede uttalelsen fra Big Bang Theory, bare at universet var varmere og mindre og tettere i fortiden.

Og hvis det er tilfelle, så er det også naturlig at hvis du ser langt nok unna, ser du lenger og lenger tilbake i tid, på grunn av tiden det tar lys å reise til deg. Og så du burde være i stand til å komme til et punkt hvor hvis universet virkelig var varmt og tett overalt - hvis Big Bang var noe som skjedde gjennom hele kosmos - da bør være i stand til å se deler av universet som er så langt unna at de fortsatt er i den varme, tette tilstanden, at de fortsatt er i sluttfasen av den typen primordial ildkule eksistens.

Og for å komme dit, må du anta at universet er stort og alltid har vært en utvidet ting, noe vi tror. Vi tror at Big Bang er noe som skjedde overalt. Det er ikke noe enkelt opprinnelsespunkt. Og så hvis du følger det resonnementet, så bør det være bakgrunnslys. Det skulle komme lys til oss fra alle retninger, fra de fjerneste delene, det lengste vi kunne se. Det burde være lyset som er resten av lyset fra den endelige avkjølingen av den flammende tilstanden i kosmos.

Boken utforsker fem mulige måter universet kan ende på. Hvorfor er det så mange forskjellige måter det kan gå?

Vel, det kommer ned til et par ting. Den ene er at vi ikke helt forstår hva som får universet til å utvide seg slik det er akkurat nå. Det var en tid da vi trodde det ville være ganske enkelt fordi vi hadde en god teori om gravitasjon, generell relativitet, og vi kunne måle ekspansjonshastigheten til universet, og vi visste hvordan alle tingene i universet skulle bremse ned ekspansjon. Og så da var det bare å finne ut balansen mellom ekspansjonen og tyngdekraften.

Så hvis ekspansjonen var for rask for all tyngdekraften, ville den ikke bremse den nok, og den ville ekspandere for alltid. Og hvis ekspansjonen ikke var rask nok, eller hvis det var for mye gravitasjon, ville gravitasjonen vinne, bremse ekspansjonen, stoppe den, og vi ville ha en rekollaspe – den store knase. Og så for en tid var det de eneste alternativene som ga noen mening.

Men så, da det ble oppdaget at universet faktisk akselererte i sin utvidelse, måtte vi legge til en ny komponent til universet. Vi måtte revidere vår forståelse og legge inn denne tingen som kalles mørk energi. Og mørk energi er noe som får universet til å utvide seg raskere. Men fordi vi egentlig ikke forstår mørk energi, kan vi ikke si med stor sikkerhet at det er der ting går. Så det er grunnen til at ting som det store bruddet eller det store knaset fortsatt er på bordet, og det ser ut til at det er varmedød vi er på vei mot.

Og så kommer de to merkelige ideene, vakuumforfall og sprettende kosmologier, fra det faktum at det er mye vi fortsatt prøver å forstå om det veldig tidlige universet og partikkelfysikken. Så den hoppende kosmologien har kommet ut av ideen om at kanskje vår nåværende beste gjetning på det veldig tidlige universet, denne inflasjonsfasen, kanskje det ikke er hele historien. Kanskje det ikke skjedde. Kanskje var det en annen evolusjon i det tidlige universet som førte til forholdene vi ser i dag. Og hvis det er sant, kan noen av disse ideene føre til disse fremmede sykliske kosmologiene.

Og så kommer ideen om vakuumforfall virkelig ut av det faktum at vår partikkelfysikkkunnskap er ufullstendig, og den nåværende beste forståelsen vår kunnskap om partikkelfysikk antyder at måten partikkelfysikk fungerer på akkurat nå ikke er helt stabil, noe som gjør universet sårbart for dette forfallet prosess. Så hvis vi bedre forsto partikkelfysikk, hvis vi bedre forsto de veldig, veldig tidlige delene av universet, så ville vi kunne si noe om disse to modellene. Men foreløpig kan vi verken utelukke dem eller si med sikkerhet at det er slik ting vil gå.

Hvilket av alle scenariene er mest sannsynlig?

Varmedød anses å være den mest sannsynlige, delvis fordi den krever færrest ekstra rare ting. Så i kosmologi liker vi å holde ting så enkelt som mulig. Vi liker å ikke anta noen nye komponenter i universet med mindre vi absolutt må. Og scenariet med varmedød har en slags mørk energi som er denne kosmologiske konstanten, som er noe vi ikke helt forstår. Men det er en idé som har eksistert siden Einstein, og det er bare en egenskap ved romtiden, at den har denne lille utvidelsen innebygd.

Så det gir oss en veldig enkel, grei evolusjon, hvor universet fortsetter å akselerere i sin ekspansjon for alltid og det hele bare forsvinner. Og det gir mye mening hvis universet har mørk materie, vanlig materie og en kosmologisk konstant som mørk energi. Du trenger ikke anta noe mer komplisert enn det. Implisitt i det er at inflasjonen skjedde, og det var begynnelsen på universet. Det er en del av den såkalte konkordansmodellen for kosmologi der alt er så enkelt og kjedelig som du kan forestille deg.

Men grunnen til at vi ikke bare slår oss til ro med det og sier at vi er ferdige, er fordi vi egentlig ikke vet sikkert at den mørke energien er et kosmologisk konsept. Og det gir litt plass. Vi kan heller ikke si sikkert at vi forstår partikkelfysikk nok til å si at vakuumforfall ikke vil skje eller at den tidlige universevolusjonen ikke var annerledes nok til å antyde en syklisk fase ved slutt.

Du nevner noen nye radioteleskoper som vil tillate forskere å se de første strukturene i universet dannes. Hva håper ekspertene å lære av det?

Vi vil få et bedre bilde av utviklingen av kosmos gjennom denne perioden mellom bakgrunnslyset og det moderne universet hvor vi er, du vet, universet fullt av galakser. Det er en rimelig stor del av tiden hvor vi har lite informasjon om hva som foregikk da. Så vi vil lære mye om utviklingen av kosmos. Vi får bare målinger av langt flere galakser. Så jeg nevnte i boken Vera Rubin-observatoriet, som skal kartlegge noe sånt som milliarder av galakser og vis oss hvordan de beveger seg gjennom universet og hvordan de utvikler seg over tid og hvordan de er distribuert. Og det vil gi oss mye informasjon om utformingen av universet og utviklingen av kosmos. Så det vil være viktige ledetråder.

Vi kan også lære om andre aspekter ved fysikk. Så jeg er interessert i noen av disse store radioteleskoparrayene, fordi de kanskje kan fortelle oss noe om mørk materie, hvis mørk materie er i ferd med å utslette i det fjerne univers. Det kan endre hvordan de første stjernene og galaksene utvikler seg, og det kan gi oss noen ledetråder til neste trinn i partikkelfysikk. Og så er det mange ting vi kanskje kan fylle ut hvis vi bare har mye mer data om fjernt univers, det tidlige universet, andre galakser - den slags morgengry fra galaksetiden, kan du si. Det handler egentlig bare om å få et bedre kart og få en bedre historie og se etter overraskelser. Du vet, vi håper virkelig at vi ser nye og interessante fenomener etter hvert som vi får mer og mer data.

Kan du forklare forskjellen mellom mørk energi og mørk materie?

Ja, så mørk materie og mørk energi virker på universet på ganske motsatte måter. Mellom de to er de de viktigste aspektene ved kosmos hvis du tenker på dets langsiktige utvikling. Så mørk energi er noe som får universet til å utvide seg raskere. Det strekker liksom ut plass. Det styrer virkelig utviklingen av kosmos, herfra og ut. Det begynte å bli veldig, veldig viktig for kanskje fem milliarder år siden. Og det tar på en måte over universet nå. Og så er vi prisgitt dens nåde når det gjelder utviklingen av kosmos herfra og ut.

Men mørk materie er liksom det som er ansvarlig for all oppbygging av struktur i kosmos, så veksten av galakser og galaksehoper. De er alle bygget på stillaset av mørk materie. Så mørk materie er en slags usynlig materie, men det er mesteparten av materien i universet, og den har noen egenskaper som gjør det lettere for det å komme sammen og bygge stillaset som alt annet betyr noe er bygd. Og fordi det er materie, fordi det er det meste av materien i universet, handler det for å prøve å bremse utvidelsen av universet. Og en stund bremset det utvidelsen av universet, og det var ikke før for omtrent fem milliarder år siden at universet ble så stort at mørk energi bare tok over.

Entusiasmen din kommer gjennom mye i boken, spesielt når du snakker om ting som Hubble-radiusen. Hva er noen av de andre tingene som er så spennende på feltet ditt som du bare har delt med andre mennesker?

Jeg mener, bare det faktum at vi kan se fortiden veldig direkte fortsetter å blåse tankene mine. Det faktum at vi kan se de siste stadiene av Big Bang direkte med teleskoper, med mikrobølgemottakere. Vi plukker opp lyset fra sluttfasen av Big Bang i alle retninger. Det faktum at vi bare kan se ut i universet og se fortiden og derfor lære om vår egen historie, jeg synes det er utrolig. Det forbauser meg hele tiden. Og så, vet du, det er bare alle disse rare aspektene ved kosmologi, rare ting i fysikk som dukker opp hvis du er i et univers som utvides og styres av relativitet. Så du nevnte dette om at galakser på et visst tidspunkt slutter å se mindre ut lenger. Du vet, en galakse av samme størrelse ville begynne å se større ut, noe som er rart, ettersom du går lenger og lenger ut.

Så er det bare det faktum at vi kan se utvidelsen av universet, at vi kan kartlegge det over tid, er fantastisk. Jeg vet ikke engang om jeg egentlig snakket om dette i boken, men når vi ser på svært fjerne supernovaer, soleksplosjoner, dukker de opp å skje saktere hvis de er langt unna, fordi utvidelsen av universet strekker ut tiden også i dette virkelig merkelige vei. Så måten rom og tid interagerer med hverandre på blir veldig forvirrende og merkelig når du har å gjøre med kosmologi, og det er veldig interessant. Du vet, relativitet gjør bare rare ting med rom og tid i alle slags sammenhenger. Det synes jeg er fantastisk og kult.

Det er mye i kosmologi som er ukjent. Hva er ett mysterium du gjerne vil løse?

Å, det er så mange. Hele greia med mørk materie/mørk energi er enorm. Hvis vi visste naturen til mørk materie, ville det definitivt vært en stor hjelp til bare vår forståelse av fysikk generelt.

Men jeg tror det som kanskje ville ha størst effekt ville være å virkelig vite om inflasjon skjedde og deretter, hvordan og hvorfor. Så å fylle ut bare et bitte lite øyeblikk av tid helt i begynnelsen av universet ville virkelig endre alt ved vårt bilde av kosmos. Hvis vi visste med sikkerhet at dette skjedde, ville det fortelle oss noe om universets opprinnelse som ville hjelpe oss til å kunne si noe om dets fremtid også. Det ville virkelig la oss få kontroll på den grunnleggende strukturen til kosmos. Så, ja, forstå inflasjon, mørk materie, mørk energi, det er slike store, tror jeg. Og så, du vet, det er ting som å finne ut hvordan man kobler generell relativitet og partikkelfysikk. Men jeg tror at hvis vi visste svarene på inflasjon, mørk materie og mørk energi, tror jeg det ville gitt oss mange ledetråder om hvordan vi kan sette sammen som et mer komplett bilde av fysikk.

Du skriver litt om eksistensialisme og redsel i boka. Er det bare noe du reflekterer over fordi du skriver denne boken, eller er den liksom alltid der?

Er jeg hjemsøkt? Jeg mener, jeg tror det definitivt er noe jeg følte at jeg måtte kjempe med for boken, fordi jeg tror det er naturlig å stille spørsmålet om, du vet, hvis vi ikke fortsetter for alltid, hva gjør det da mener? Som, hva er meningen med livet? Hva er hensikten med eksistensen hvis den har en sluttdato? Så det var definitivt noe som dukket opp ved å tenke på alle disse store spørsmålene. Jeg er ikke en som bruker all min tid på å tenke på meningen med livet generelt. Jeg blir vanligvis ikke fanget av sånt. Og jeg er heller ikke en som liker å tenke på døden. Jeg prøvde veldig hardt å unngå å tenke på døden fordi jeg synes det er veldig urovekkende. Så det ble virkelig tilskyndet av å tenke på denne boken og prøve å sette litt kontekst rundt disse store ideene, fordi realiteten er at vi har en følelsesmessig respons på universet. Selv om det virker irrasjonelt fra et strengt praktisk synspunkt, er det vanskelig å unngå å ha det svaret.

Redaktørenes anbefalinger

• 5000 "øyne" vil skanne nattehimmelen etter ledetråder til puslespillet med mørk energi
• Hvordan ansiktsgjenkjenning hjelper astronomer å avsløre hemmelighetene til mørk materie
• Romteleskop for å undersøke mysteriene med mørk energi og mørk materie