Вот как закончится Вселенная, по мнению астрофизика

«Наши созерцания космоса волнуют нас» покойный астроном Карл Саган однажды сказал. «Покалывание в позвоночнике, срыв в голосе, слабое ощущение, как будто отдаленное воспоминание о падении. с огромной высоты». Если размышления о Вселенной вызывают у вас дрожь, то размышления о ее конце могут заставить вас землетрясение.

В своей новой книге Конец всего: (астрофизически говоря)Астрофизик-теоретик доктор Кэти Мак начинает с Большого взрыва — теории происхождения Вселенной. Ее начало может многое рассказать таким космологам, как она, о ее неизбежном конце. Она весело знакомит читателей с пятью астрофизическими апокалипсисами: большим сжатием, тепловой смертью, большим разрывом, распадом вакуума и большим отскоком. Чтобы вы не застряли в кварк-глюонной плазме (не волнуйтесь, объясняет она), Мак делает все доступным и диалоговым. Это гораздо интереснее, чем вы ожидаете от книги о конце вселенной. «Не позволяйте экзистенциальному страху конца вселенной сбить вас с толку», — кажется, говорит она.

Мы поговорили с Маком о темной энергии и темной материи, о том, как телескопы позволяют нам буквально заглянуть в прошлое, и о странностях космоса.

(Этот разговор был слегка отредактирован для ясности..)

Цифровые тенденции: Что побудило вас написать эту книгу?

Мак: За прошедшие годы я изучил много разных вещей в области космологии в широком смысле. Итак, космология охватывает, как вы знаете, Вселенную в целом, ее компоненты и ее эволюцию. Я работал над ранней вселенной. Я работал над темной материей, черными дырами, эволюцией галактик и тому подобными вещами. А в последнее время меня очень заинтересовал конец вселенной. и именно так возникла эта книга.

Ваша книга предлагает очень доступное объяснение того, как мы можем наблюдать Большой взрыв. Можете ли вы рассказать нам об этом?

Итак, идея состоит в том, что если Вселенная в настоящее время расширяется, а мы это наблюдаем, то мы видим галактики. удаляясь друг от друга — тогда понятно, что в прошлом Вселенная была более сжатый. Так что все было ближе друг к другу. И вы можете как бы набрать этот добавочный номер обратно, и вы доберетесь до точки, где все было как бы поверх друг друга.

Итак, по мере расширения Вселенной она становится холоднее, материя становится более рассеянной, энергия становится более рассеянной. В прошлом оно, должно быть, было горячее, плотнее и, в некотором смысле, меньше, чем сегодня. По сути, это теория большого взрыва. Это самое упрощенное утверждение Теории Большого Взрыва: в прошлом Вселенная была горячее, меньше и плотнее.

И если это так, то вполне понятно, что если вы посмотрите достаточно далеко, вы будете смотреть все дальше и дальше назад во времени, потому что свету требуется время, чтобы добраться до вас. Итак, вы должны быть в состоянии достичь точки, в которой, если бы Вселенная действительно была горячей и плотной повсюду — если бы Большой Взрыв произошел во всем космосе — тогда вы должен быть в состоянии видеть части Вселенной, которые находятся так далеко, что они все еще находятся в этом горячем и плотном состоянии, что они все еще находятся на последних стадиях своего рода первобытного огненного шара. существование.

И чтобы достичь этого, вы должны предположить, что Вселенная велика и всегда была протяженной, во что мы верим. Мы думаем, что Большой Взрыв произошел повсюду. Единой исходной точки не существует. И если вы последуете этому рассуждению, то фоновый свет должен быть. Свет должен приходить к нам со всех сторон, из самых отдаленных уголков, из самых дальних, которые мы можем видеть. Должен быть свет, оставшийся от окончательного остывания этого огненного состояния космоса.

В книге исследуются пять возможных вариантов конца Вселенной. Почему существует так много разных путей?

Ну, это сводится к нескольким вещам. Во-первых, мы не до конца понимаем, что заставляет Вселенную расширяться так, как она есть сейчас. Было время, когда мы думали, что это будет довольно просто, потому что у нас была хорошая теория гравитации, общая теория относительности, и мы могли измерить скорость расширения Вселенной, и мы знали, что все вещества во Вселенной должны замедлять расширение. Итак, оставалось лишь найти баланс между расширением и гравитацией.

Итак, если бы расширение было слишком быстрым для всей гравитации, оно не замедлило бы его достаточно, и оно бы расширялось навсегда. А если бы расширение было недостаточно быстрым или если бы гравитация была слишком сильной, то гравитация победила бы, замедлила бы расширение, остановила бы его, и мы бы получили обратное сжатие — большое сжатие. И какое-то время это были единственные варианты, которые имели хоть какой-то смысл.

Но затем, когда было обнаружено, что Вселенная на самом деле расширяется с ускорением, нам пришлось добавить во Вселенную новый компонент. Нам пришлось пересмотреть наше понимание и добавить в него эту штуку, называемую темной энергией. А темная энергия — это то, что заставляет Вселенную расширяться быстрее. Но поскольку мы на самом деле не понимаем темную энергию, мы не можем с большой уверенностью сказать, что именно так все и происходит. Вот почему такие вещи, как большой разрыв или большой кризис, все еще стоят на столе, и тепловая смерть — это то, к чему мы, похоже, движемся.

А две странные идеи — распад вакуума и прыгающая космология — возникли из того факта, что мы все еще многое пытаемся понять в очень ранней Вселенной и физике элементарных частиц. Итак, прыгающая космология возникла из идеи, что, возможно, наше нынешнее лучшее предположение о очень ранней Вселенной, об этой фазе инфляции, возможно, это еще не вся история. Возможно, этого не произошло. Возможно, в очень ранней Вселенной произошла какая-то другая эволюция, которая привела к условиям, которые мы видим сегодня. И если это правда, то некоторые из этих идей могут привести к появлению странных циклических космологий.

И тогда идея распада вакуума действительно возникает из того факта, что наши знания в области физики элементарных частиц неполны, и на сегодняшний день лучшее понимание наших Знания в области физики элементарных частиц позволяют предположить, что то, как работает физика элементарных частиц сейчас, просто не полностью стабильно, что делает Вселенную уязвимой для этого распада. процесс. Итак, если бы мы лучше поняли физику элементарных частиц, если бы мы лучше поняли самые, очень ранние части Вселенной, тогда мы смогли бы что-то сказать об этих двух моделях. Но пока мы не можем ни исключать их, ни с уверенностью говорить, что так и будет.

Какой из всех сценариев наиболее вероятен?

Тепловая смерть считается наиболее вероятной, отчасти потому, что для нее требуется наименьшее количество дополнительных странных вещей. Итак, в космологии мы предпочитаем, чтобы все было как можно проще. Нам нравится не предполагать никаких новых компонентов Вселенной, если в этом нет абсолютной необходимости. И в сценарии тепловой смерти есть своего рода темная энергия, космологическая константа, которую мы не совсем понимаем. Но эта идея существует со времен Эйнштейна, и это всего лишь свойство пространства-времени, что в него встроено небольшое расширение.

Итак, это дает нам очень простую и понятную эволюцию, в которой Вселенная вечно продолжает ускоряться в своем расширении, и все это просто исчезает. И это имеет большой смысл, если во Вселенной есть темная материя, обычная материя и космологическая константа в виде темной энергии. Вам не нужно предполагать ничего более сложного, чем это. Неявно это означает, что инфляция действительно произошла, и это было началом Вселенной. Это часть так называемой согласованной модели космологии, где все настолько просто и скучно, насколько вы можете себе это представить.

Но причина, по которой мы не можем просто остановиться на этом и сказать, что все готово, заключается в том, что мы действительно не знаем наверняка, что темная энергия является космологической концепцией. И это оставляет некоторое пространство. Мы также не можем с уверенностью сказать, что понимаем физику элементарных частиц настолько, чтобы утверждать, что распад вакуума не произойдет. или что эволюция ранней Вселенной не отличалась настолько, чтобы предполагать некую циклическую фазу на конец.

Вы упоминаете некоторые новые радиотелескопы это позволит ученым наблюдать за формированием первых структур Вселенной. Что эксперты надеются извлечь из этого?

Мы получим лучшее представление об эволюции космоса в этот период между фоновым светом и современной вселенной, где мы, вы знаете, вселенная, полная галактик. Существует достаточно большой промежуток времени, в течение которого у нас мало информации о том, что тогда происходило. Итак, мы узнаем много нового об эволюции космоса. Мы получим лишь измерения гораздо большего количества галактик. Итак, я упомянул в книге об обсерватории Веры Рубин, которая собирается составить карту примерно миллиардов галактики и покажут нам, как они движутся по Вселенной, как они развиваются с течением времени и как они распределено. И это даст нам много информации только о устройстве Вселенной и эволюции космоса. Так что это будут важные подсказки.

Мы также можем узнать о других аспектах физики. Поэтому меня интересуют некоторые из этих больших массивов радиотелескопов, потому что они могут рассказать нам кое-что о темной материи, если темная материя аннигилирует в далекой Вселенной. Это может изменить то, как развиваются первые звезды и галактики, и может дать нам некоторые подсказки к следующему шагу в физике элементарных частиц. Итак, есть много вещей, которые мы могли бы заполнить, если бы у нас было гораздо больше данных о далекая вселенная, ранняя вселенная, другие галактики — что-то вроде рассвета галактической эры, вы могли бы сказать. На самом деле это вопрос просто получения лучшей карты, лучшей истории и поиска сюрпризов. Знаете, мы очень надеемся, что увидим новые и интересные явления по мере того, как получаем все больше и больше данных.

Можете ли вы объяснить разницу между темная энергия и темная материя?

Да, итак, темная материя и темная энергия действуют на Вселенную совершенно противоположным образом. Между ними двумя они являются наиболее важными аспектами космоса, если вы думаете о его долгосрочной эволюции. Итак, темная энергия — это то, что заставляет Вселенную расширяться быстрее. Это как бы расширяет пространство. С этого момента он действительно управляет эволюцией космоса. Это начало становиться действительно очень важным примерно пять миллиардов лет назад. И теперь это как бы захватывает вселенную. И поэтому с этого момента мы находимся в его власти с точки зрения эволюции космоса.

Но темная материя — это своего рода то, что отвечает за все формирование структуры в космосе, то есть за рост галактик и скоплений галактик. Все они построены на каркасе темной материи. Итак, темная материя — это своего рода невидимая материя, но она составляет большую часть материи во Вселенной, и у нее есть некоторые свойства, которые позволяют ему собраться вместе и построить каркас, на котором все остальное имеет значение. построено. И поскольку это материя, потому что это большая часть материи во Вселенной, она пытается замедлить расширение Вселенной. И какое-то время это замедляло расширение Вселенной, и только около пяти миллиардов лет назад Вселенная стала настолько большой, что темная энергия взяла верх.

Ваш энтузиазм проявляется в книге во многом, особенно когда вы говорите о таких вещах, как радиус Хаббла. Какие еще вещи в вашей области настолько интересны, что вы просто можете поделиться ими с другими людьми?

Я имею в виду, что сам факт того, что мы можем видеть прошлое очень непосредственно, продолжает поражать меня. Дело в том, что финальные стадии Большого взрыва мы можем увидеть непосредственно в телескопы, с помощью микроволновых приёмников. Мы улавливаем свет заключительных стадий Большого взрыва во всех направлениях. Тот факт, что мы можем просто заглянуть во Вселенную и увидеть прошлое и, следовательно, узнать о нашей собственной истории, я думаю, это просто потрясающе. Это меня все время удивляет. И потом, вы знаете, есть все эти странные аспекты космологии, странные вещи в физике, которые возникают, если вы находитесь во вселенной, которая расширяется и управляется теорией относительности. Итак, вы упомянули о том, что в определенный момент галактики перестают выглядеть меньше. Знаете, галактика того же размера начинает выглядеть больше, что странно, по мере того, как вы уходите все дальше и дальше.

Кроме того, просто поразителен тот факт, что мы можем видеть расширение Вселенной и составлять карту этого процесса с течением времени. Я даже не знаю, действительно ли я говорил об этом в книге, но когда мы смотрим на очень далекие сверхновые, солнечные взрывы, они появляются происходить медленнее, если они находятся далеко, потому что расширение Вселенной также растягивает время в этом действительно странном способ. Таким образом, то, как пространство и время взаимодействуют друг с другом, становится очень запутанным и странным, когда вы имеете дело с космологией, и это действительно интересно. Знаете, теория относительности творит странные вещи с пространством и временем во всех контекстах. Я нахожу это удивительным и крутым.

В космологии есть много неизвестного. Какую загадку вам хотелось бы разгадать?

Ох, их так много. Вся тема темной материи/темной энергии огромна. Если бы мы знали природу темной материи, это определенно помогло бы нашему пониманию физики в целом.

Но я думаю, что, возможно, наиболее эффективным было бы знание того, произошла ли инфляция, а затем, например, как и почему. Таким образом, заполнение всего лишь крошечного момента времени в самом начале Вселенной действительно изменило бы все в нашей картине космоса. Если бы мы знали наверняка, что это произошло, это рассказало бы нам что-то о происхождении Вселенной, что помогло бы нам сказать что-то и о ее будущем. Это действительно позволило бы нам понять фундаментальную структуру космоса. Так что да, понимание инфляции, темной материи, темной энергии — это, я думаю, очень важные вещи. А еще, знаете, есть такие вещи, как выяснение того, как связать общую теорию относительности и физику элементарных частиц. Но я думаю, что если бы мы знали ответы на вопросы инфляции, темной материи и темной энергии, я думаю, это дало бы нам много подсказок о том, как составить более полную картину физики.

В книге вы немного пишете об экзистенциализме и страхе. Вы просто об этом размышляете, пока пишете эту книгу, или это всегда здесь?

Меня преследуют? Я имею в виду, я думаю, что это определенно то, с чем мне пришлось столкнуться при написании книги, потому что я думаю, что вполне естественно задаваться вопросом: ну, если мы не будем продолжать вечно, то что это вообще значит? иметь в виду? Мол, в чем смысл жизни? Какова цель существования, если у него есть дата окончания? Так что это определенно возникло в ходе размышлений над всеми этими важными вопросами. Я не из тех, кто проводит все свое время, размышляя о смысле жизни в целом. Обычно я не увлекаюсь такими вещами. И еще я не из тех, кто любит думать о смерти. Я очень старался избегать мыслей о смерти, потому что меня это очень тревожит. Так что на самом деле это было вызвано размышлениями об этой книге и попытками создать некоторый контекст для этих великих идей, потому что реальность такова, что у нас действительно есть эмоциональная реакция на Вселенную. Даже если это кажется иррациональным со строго практической точки зрения, избежать такой реакции трудно.

Рекомендации редакции

• 5000 «глаз» будут сканировать ночное небо в поисках разгадки загадки темной энергии
• Как распознавание лиц помогает астрономам раскрыть тайны темной материи
• Космический телескоп раскроет тайны темной энергии и темной материи