Według astrofizyka tak właśnie zakończy się Wszechświat

„Nasze kontemplacje kosmosu nas poruszają” powiedział kiedyś zmarły astronom Carl Sagan. „Czuje się mrowienie w kręgosłupie, ucisk w głosie, słabe uczucie, jakby odległe wspomnienie upadku z dużej wysokości.” Jeśli myśl o wszechświecie wywołuje dreszcze, myśl o jego końcu może cię wywołać drżeć.

W swojej nowej książce pt. Koniec wszystkiego: (mówiąc astrofizycznie), astrofizyk teoretyczny dr Katie Mack zaczyna od Wielkiego Wybuchu – teorii początku wszechświata. Jej początek może wiele powiedzieć kosmologom takim jak ona o nieuniknionym końcu. Z radością prowadzi czytelników przez pięć apokalips astrofizycznych: wielki kryzys, śmierć cieplną, wielkie rozerwanie, zanik próżni i wielkie odbicie. Aby nie utknąć w plazmie kwarkowo-gluonowej (nie martw się, ona to wyjaśnia), Mack dba o to, aby wszystko było dostępne i możliwe do konwersacji. To o wiele zabawniejsza, niż można by się spodziewać po książce o końcu wszechświata. Nie pozwól, aby egzystencjalny strach przed końcem wszechświata cię przygnębił, zdaje się mówić.

Rozmawialiśmy z Mackiem o porównaniu ciemnej energii z ciemną materią, o tym, jak teleskopy pozwalają nam dosłownie patrzeć w przeszłość i o dziwaczności przestrzeni.

(Ta rozmowa została lekko zredagowana dla przejrzystości.)

Trendy cyfrowe: co skłoniło Cię do napisania tej książki?

Mack: Przez lata studiowałem wiele różnych rzeczy z zakresu szeroko rozumianej kosmologii. Zatem kosmologia obejmuje wszechświat jako całość, jego składniki i jego ewolucję. Pracowałem nad wczesnym wszechświatem. Pracowałem nad ciemną materią, czarnymi dziurami, ewolucją galaktyk i wszystkimi tego typu rzeczami. A ostatnio bardzo zainteresował mnie koniec wszechświata. i tak właśnie powstała ta książka.

Twoja książka oferuje bardzo przystępne wyjaśnienie, w jaki sposób możemy obserwować Wielki Wybuch. Możesz nas przez to przeprowadzić?

Pomysł jest więc taki, że jeśli Wszechświat obecnie się rozszerza – co obserwujemy, widzimy galaktyki oddalają się od siebie – wówczas jest oczywiste, że w przeszłości wszechświata było więcej sprężony. Więc wszystko było bliżej siebie. Można też w pewnym sensie wybrać to rozszerzenie z powrotem i dojść do punktu, w którym wszystko było jakby na siebie nałożone.

Tak więc, gdy wszechświat się rozszerza, robi się chłodniej, materia staje się bardziej rozproszona, a energia staje się bardziej rozproszona. W przeszłości musiał być gorętszy, gęstszy i w pewnym sensie mniejszy niż obecnie. To w zasadzie Teoria Wielkiego Wybuchu. To najbardziej uproszczone stwierdzenie Teorii Wielkiego Wybuchu, mówiące jedynie, że Wszechświat był w przeszłości gorętszy, mniejszy i gęstszy.

A jeśli tak jest, to jest również oczywiste, że jeśli spojrzysz wystarczająco daleko, będziesz spoglądał coraz dalej w przeszłość ze względu na czas, jakiego potrzebuje światło, aby do ciebie dotrzeć. Zatem powinniście być w stanie dojść do punktu, w którym, jeśli wszechświat naprawdę był wszędzie gorący i gęsty – jeśli Wielki Wybuch był czymś, co wydarzyło się w całym kosmosie – to powinni być w stanie zobaczyć części wszechświata, które są tak daleko, że nadal znajdują się w tym gorącym, gęstym stanie, że wciąż znajdują się w końcowych stadiach tego rodzaju pierwotnej kuli ognia istnienie.

Aby to osiągnąć, trzeba założyć, że wszechświat jest duży i zawsze był czymś rozciągniętym, w co naprawdę wierzymy. Uważamy, że Wielki Wybuch to coś, co wydarzyło się wszędzie. Nie ma jednego punktu początkowego. Jeśli więc podążysz za tym rozumowaniem, powinno być światło w tle. Światło powinno docierać do nas ze wszystkich stron, z najodleglejszych zakątków, z najdalszych, jakie możemy zobaczyć. Powinno tam być światło, które jest pozostałością po ostatecznym ochłodzeniu tego ognistego stanu kosmosu.

Książka bada pięć możliwych sposobów zakończenia wszechświata. Dlaczego może to przebiegać na tak wiele różnych sposobów?

Cóż, to sprowadza się do kilku rzeczy. Po pierwsze, nie do końca rozumiemy, co powoduje, że wszechświat rozszerza się w taki sposób, w jaki obecnie się rozwija. Był czas, kiedy myśleliśmy, że będzie to całkiem proste, ponieważ mieliśmy dobrą teorię grawitacji, ogólną teorię względności i mogliśmy zmierzyć tempo ekspansji Wszechświata i wiedzieliśmy, jak cała materia we wszechświecie powinna spowalniać ekspansja. Zatem pozostała tylko kwestia znalezienia równowagi pomiędzy ekspansją a grawitacją.

Tak więc, gdyby ekspansja była zbyt szybka dla całej grawitacji, wówczas nie spowolniłaby jej wystarczająco i rozszerzałaby się w nieskończoność. A jeśli ekspansja nie byłaby wystarczająco szybka lub gdyby grawitacja była zbyt duża, grawitacja zwyciężyłaby, spowolniłaby ekspansję, zatrzymała ją i mielibyśmy ponowne załamanie – wielki kryzys. I tak przez pewien czas były to jedyne opcje, które miały jakikolwiek sens.

Ale kiedy odkryto, że Wszechświat faktycznie przyspiesza swoją ekspansję, musieliśmy dodać do niego nowy element. Musieliśmy zrewidować nasze zrozumienie i zastosować tę rzecz zwaną ciemną energią. A ciemna energia sprawia, że ​​wszechświat rozszerza się szybciej. Ponieważ jednak tak naprawdę nie rozumiemy ciemnej energii, nie możemy z całą pewnością stwierdzić, że właśnie w tym kierunku zmierzają sprawy. Dlatego właśnie takie rzeczy jak wielkie rozdarcie czy wielki kryzys wciąż są na stole, a śmierć cieplna jest tą, w którą zmierzamy.

A następnie te dwa dziwaczne pomysły – rozpad próżni i odbijająca się kosmologia – wynikają z faktu, że wciąż wiele próbujemy zrozumieć na temat bardzo wczesnego wszechświata i fizyki cząstek elementarnych. Tak więc odbijająca się kosmologia zrodziła się z pomysłu, że być może nasze obecne najlepsze przypuszczenia dotyczące bardzo wczesnego Wszechświata, tej fazy inflacyjnej, może to nie cała historia. Może tak się nie stało. Być może we wczesnym wszechświecie miała miejsce inna ewolucja, która doprowadziła do warunków, które obserwujemy dzisiaj. A jeśli to prawda, to niektóre z tych pomysłów mogą prowadzić do dziwniejszych cyklicznych kosmologii.

A wtedy idea zaniku próżni tak naprawdę wynika z faktu, że nasza wiedza z zakresu fizyki cząstek elementarnych jest niekompletna, a obecne najlepsze zrozumienie naszej wiedza z zakresu fizyki cząstek elementarnych sugeruje, że sposób, w jaki obecnie działa fizyka cząstek, po prostu nie jest w pełni stabilny, co naraża wszechświat na ten rozpad proces. Gdybyśmy więc lepiej zrozumieli fizykę cząstek elementarnych, gdybyśmy lepiej zrozumieli bardzo, bardzo wczesne części Wszechświata, moglibyśmy coś powiedzieć na temat tych dwóch modeli. Ale na razie nie możemy ich wykluczyć ani stwierdzić z całą pewnością, że tak właśnie będzie.

Który ze wszystkich scenariuszy jest najbardziej prawdopodobny?

Śmierć cieplną uważa się za najbardziej prawdopodobną, częściowo dlatego, że wymaga ona najmniejszej liczby dodatkowych dziwnych rzeczy. Dlatego w kosmologii lubimy utrzymywać wszystko tak prosto, jak to tylko możliwe. Lubimy nie zakładać żadnych nowych elementów wszechświata, chyba że jest to absolutnie konieczne. Scenariusz śmierci cieplnej charakteryzuje się rodzajem ciemnej energii, czyli stałą kosmologiczną, której nie do końca rozumiemy. Ale jest to pomysł, który istnieje od czasów Einsteina i jest po prostu właściwością czasoprzestrzeni, że ma wbudowaną odrobinę ekspansji.

To daje nam bardzo prostą, bezpośrednią ewolucję, podczas której wszechświat stale przyspiesza swoją ekspansję, a wszystko po prostu zanika. Ma to duży sens, jeśli wszechświat ma ciemną materię, regularną materię i stałą kosmologiczną, jaką jest ciemna energia. Nie musisz zakładać niczego bardziej skomplikowanego. Oznacza to, że inflacja faktycznie miała miejsce i był to początek wszechświata. Jest to część tak zwanego kosmologicznego modelu zgodności, w którym wszystko jest tak proste i nudne, jak tylko możesz sobie wyobrazić.

Ale powodem, dla którego nie poprzestaniemy na tym i nie powiemy, że już z tym skończyliśmy, jest to, że tak naprawdę nie wiemy na pewno, czy ciemna energia jest koncepcją kosmologiczną. A to pozostawia trochę miejsca. Nie możemy również powiedzieć z całą pewnością, że rozumiemy fizykę cząstek elementarnych na tyle, aby stwierdzić, że zanik próżni nie nastąpi się wydarzyło lub że wczesna ewolucja Wszechświata nie była na tyle odmienna, aby sugerować jakąś cykliczną fazę koniec.

Wspominasz o niektórych nowe radioteleskopy które pozwolą naukowcom obserwować powstawanie pierwszych struktur wszechświata. Czego eksperci chcą się z tego nauczyć?

Otrzymamy lepszy obraz ewolucji kosmosu w okresie pomiędzy światłem tła a współczesnym wszechświatem, w którym jesteśmy, no wiecie, wszechświatem pełnym galaktyk. Jest dość duży fragment czasu, w którym nie mamy zbyt wielu informacji na temat tego, co się wtedy działo. Dowiemy się więc wiele o ewolucji kosmosu. Otrzymamy pomiary znacznie większej liczby galaktyk. Wspomniałem więc w książce o Obserwatorium Very Rubin, które ma na celu sporządzenie mapy około miliardów obiektów galaktyki i pokaż nam, jak poruszają się one we wszechświecie, jak ewoluują w czasie i jak się zmieniają Rozpowszechniane. A to da nam wiele informacji na temat samego układu wszechświata i ewolucji kosmosu. To będą więc ważne wskazówki.

Możemy także poznać inne aspekty fizyki. Dlatego interesują mnie niektóre z tych dużych zestawów radioteleskopów, ponieważ mogą być w stanie powiedzieć nam coś o ciemnej materii, jeśli ciemna materia anihiluje w odległym wszechświecie. Może to zmienić sposób ewolucji pierwszych gwiazd i galaktyk, a to może dać nam wskazówki dotyczące następnego kroku w fizyce cząstek elementarnych. Jest więc wiele rzeczy, które moglibyśmy wypełnić, gdybyśmy mieli o wiele więcej danych na ten temat odległy wszechświat, wczesny wszechświat, inne galaktyki – można by powiedzieć, że to rodzaj świtu ery galaktyk mowić. Tak naprawdę chodzi tylko o zdobycie lepszej mapy, lepszą historię i szukanie niespodzianek. Wiesz, naprawdę mamy nadzieję, że w miarę zdobywania coraz większej ilości danych zobaczymy nowe i interesujące zjawiska.

Czy możesz wyjaśnić różnicę pomiędzy ciemna energia I Ciemna materia?

Tak, więc ciemna materia i ciemna energia działają na Wszechświat w zupełnie odwrotny sposób. Między nimi dwoma są to najważniejsze aspekty kosmosu, jeśli myślisz o jego długoterminowej ewolucji. Zatem ciemna energia sprawia, że ​​wszechświat rozszerza się szybciej. To w pewnym sensie rozciąga przestrzeń. To naprawdę rządzi ewolucją kosmosu, odtąd. Zaczęło to nabierać naprawdę, naprawdę ważnego znaczenie jakieś pięć miliardów lat temu. I teraz w pewnym sensie przejmuje władzę nad wszechświatem. Odtąd jesteśmy zdani na jego łaskę, jeśli chodzi o ewolucję kosmosu.

Jednak ciemna materia jest w pewnym sensie odpowiedzialna za całe gromadzenie się struktur w kosmosie, a więc za rozwój galaktyk i gromad galaktyk. Wszystkie zbudowane są na rusztowaniu ciemnej materii. Zatem ciemna materia jest rodzajem niewidzialnej materii, ale stanowi większość materii we wszechświecie i ma pewne właściwości właściwości, które ułatwiają ich połączenie i zbudowanie rusztowania, na którym cała inna materia jest zbudowany. A ponieważ jest to materia, ponieważ stanowi większość materii we wszechświecie, próbuje spowolnić ekspansję wszechświata. I przez jakiś czas spowalniało to ekspansję Wszechświata i dopiero około pięć miliardów lat temu Wszechświat stał się tak duży, że ciemna energia po prostu przejęła kontrolę.

Twój entuzjazm często pojawia się w tej książce, szczególnie gdy mówisz o takich rzeczach jak promień Hubble'a. Jakie inne rzeczy są tak ekscytujące w Twojej dziedzinie, że po prostu dzielisz się nimi z innymi ludźmi?

To znaczy, sam fakt, że możemy zobaczyć przeszłość bardzo bezpośrednio, nadal nie daje mi spokoju. Fakt, że końcowe etapy Wielkiego Wybuchu możemy zobaczyć bezpośrednio za pomocą teleskopów, za pomocą odbiorników mikrofalowych. Wychwytujemy światło z końcowych etapów Wielkiego Wybuchu we wszystkich kierunkach. Myślę, że to niesamowite, że możemy po prostu spojrzeć w głąb wszechświata i zobaczyć przeszłość, a tym samym poznać naszą własną historię. To mnie cały czas zadziwia. A poza tym, wiecie, są te wszystkie dziwne aspekty kosmologii, dziwne rzeczy w fizyce, które pojawiają się, gdy znajdujecie się we wszechświecie, który się rozszerza i rządzi nim teoria względności. Wspomniałeś o tym, że w pewnym momencie galaktyki przestają wyglądać na mniejsze. Wiesz, galaktyka tego samego rozmiaru zaczęłaby wyglądać na większą, co jest dziwne, w miarę oddalania się i oddalania.

Niesamowity jest sam fakt, że możemy zobaczyć ekspansję wszechświata i że możemy to nakreślić na mapie w czasie. Nie wiem nawet, czy naprawdę mówiłem o tym w książce, ale kiedy patrzymy na bardzo odległe supernowe, eksplozje słoneczne, pojawiają się one dzieje się wolniej, jeśli są daleko, ponieważ ekspansja wszechświata również wydłuża czas w tym naprawdę dziwnym sposób. Zatem sposób, w jaki przestrzeń i czas oddziałują na siebie, staje się bardzo zagmatwany i dziwny, gdy mamy do czynienia z kosmologią, a to jest naprawdę interesujące. Wiesz, teoria względności po prostu robi dziwne rzeczy z przestrzenią i czasem w najróżniejszych kontekstach. To, co uważam za niesamowite i fajne.

W kosmologii jest wiele niewiadomych. Jaka jest jedna zagadka, którą chciałbyś rozwiązać?

Och, jest ich tak wiele. Cała sprawa z ciemną materią/ciemną energią jest ogromna. Gdybyśmy znali naturę ciemnej materii, z pewnością byłoby to bardzo pomocne w naszym ogólnym zrozumieniu fizyki.

Myślę jednak, że najbardziej wpływowa byłaby wiedza na temat tego, czy doszło do inflacji, a następnie, w jaki sposób i dlaczego. Zatem wypełnienie choćby maleńkiej chwili na samym początku wszechświata naprawdę zmieniłoby wszystko w naszym obrazie kosmosu. Gdybyśmy wiedzieli na pewno, że tak się stało, powiedziałoby nam to coś o pochodzeniu wszechświata, co pomogłoby nam powiedzieć coś o jego przyszłości. Naprawdę pozwoliłoby nam to zrozumieć podstawową strukturę kosmosu. Więc tak, zrozumienie inflacji, ciemnej materii, ciemnej energii, to są te największe, jak sądzę. A potem, wiesz, są takie rzeczy, jak zastanawianie się, jak połączyć ogólną teorię względności i fizykę cząstek elementarnych. Ale myślę, że gdybyśmy znali odpowiedzi na inflację, ciemną materię i ciemną energię, dałoby nam to wiele wskazówek, jak złożyć pełniejszy obraz fizyki.

W książce piszesz trochę o egzystencjalizmie i strachu. Czy zastanawiasz się nad tym tylko podczas pisania tej książki, czy też tak jest zawsze?

Czy jestem nawiedzony? To znaczy, myślę, że zdecydowanie jest to coś, z czym musiałam się zmierzyć w przypadku tej książki, bo ja myślę, że naturalne jest zadawanie pytania, no wiesz, jeśli nie będziemy ciągnąć tego w nieskończoność, to co to w ogóle da mieć na myśli? Na przykład: jaki jest sens życia? Jaki jest cel istnienia, jeśli ma ono datę końcową? Więc to z pewnością coś przyszło na myśl, gdy zastanawiałem się nad tymi wszystkimi ważnymi pytaniami. Nie jestem osobą, która spędza cały swój czas na rozmyślaniu o sensie życia w ogóle. Zwykle nie wciągam się w takie rzeczy. Ja też nie należę do osób, które lubią myśleć o śmierci. Bardzo starałem się unikać myślenia o śmierci, ponieważ wydawało mi się to bardzo niepokojące. Tak więc naprawdę wyniknęło to z myślenia o tej książce i próby umieszczenia kontekstu wokół tych wielkich idei, ponieważ rzeczywistość jest taka, że ​​rzeczywiście reagujemy emocjonalnie na wszechświat. Nawet jeśli wydaje się to irracjonalne ze ściśle praktycznego punktu widzenia, trudno uniknąć takiej reakcji.

Zalecenia redaktorów

• 5000 „oczu” będzie skanować nocne niebo w poszukiwaniu wskazówek dotyczących zagadki ciemnej energii
• Jak rozpoznawanie twarzy pomaga astronomom odkrywać tajemnice ciemnej materii
• Teleskop kosmiczny do badania tajemnic ciemnej energii i ciemnej materii