Tako se bo vesolje končalo, pravi astrofizik

"Naša razmišljanja o kozmosu nas vznemirjajo," je nekoč rekel pokojni atronom Carl Sagan. »V hrbtenici je mravljinčenje, glas zastane, šibek občutek, kot da je oddaljen spomin na padec z velike višine." Če vas ob premišljevanju o vesolju zmrazi, vas lahko misel o njegovem koncu naredi potres.

V svoji novi knjigi Konec vsega: (astrofizično gledano), teoretična astrofizik dr. Katie Mack začne z velikim pokom – teorijo o tem, kako se je vesolje začelo. Njen začetek lahko kozmologom, kot je ona, veliko pove o njenem neizogibnem koncu. Bralce veselo popelje skozi pet astrofizičnih apokalips: veliko škrtanje, toplotno smrt, veliko raztrganje, razpad vakuuma in velik odboj. Da ne bi obtičali v kvark-gluonski plazmi (brez skrbi, razlaga), Mack ohranja vse dostopno in pogovorno. Je veliko bolj zabavno, kot bi pričakovali, da bo knjiga o koncu vesolja. Zdi se, da pravi, da naj vas eksistencialni strah pred koncem vesolja ne premami.

Z Mackom smo se pogovarjali o temni energiji v primerjavi s temno snovjo, o tem, kako nam teleskopi omogočajo, da dobesedno pogledamo v preteklost, in o nenavadnosti vesolja.

(Ta pogovor je bil rahlo urejen zaradi jasnosti.)

Digitalni trendi: Kaj vas je spodbudilo k pisanju te knjige?

Mack: V preteklih letih sem preučeval veliko različnih stvari na področju kozmologije. Torej, kozmologija pokriva, veste, vesolje kot celoto in njegove komponente ter njegov razvoj. Delal sem na zgodnjem vesolju. Delal sem na temni snovi, črnih luknjah, evoluciji galaksij, vseh teh stvareh. In zadnje čase me zelo zanima konec vesolja. in nekako tako je nastala ta knjiga.

Vaša knjiga ponuja zelo dostopno razlago, kako lahko opazujemo Veliki pok. Nas lahko popelješ skozi to?

Torej, ideja je, da če se vesolje trenutno širi - kar opazujemo, vidimo galaksije ki se odmikata drug od drugega — potem je logično, da je bilo vesolje v preteklosti več stisnjen. Tako je bilo vse bližje skupaj. In to razširitev lahko nekako pokličete nazaj in pridete do točke, ko je bilo vse nekako eno na drugem.

Torej, ko se vesolje širi, se ohlaja, snov postaja bolj razpršena, energija postaja bolj razpršena. V preteklosti je moralo biti bolj vroče in gostejše in v nekem smislu manjše kot danes. To je torej v bistvu teorija velikega poka. To je najbolj poenostavljena izjava teorije velikega poka, le da je bilo vesolje v preteklosti bolj vroče, manjše in gostejše.

In če je temu tako, potem je tudi logično, da če pogledate dovolj daleč stran, gledate dlje in dlje v preteklost, zaradi časa, ki ga svetloba potrebuje, da potuje do vas. In tako bi morali biti sposobni priti do točke, kjer če bi bilo vesolje res vroče in gosto povsod - če bi bil veliki pok nekaj, kar se je zgodilo v celotnem vesolju - potem bi bi morali imeti možnost videti dele vesolja, ki so tako daleč, da so še vedno v tem vročem, gostem stanju, da so še vedno v zadnji fazi te vrste prvobitne ognjene krogle obstoj.

In da bi prišli tja, morate domnevati, da je vesolje veliko in je bilo vedno razširjena stvar, v kar verjamemo. Mislimo, da je veliki pok nekaj, kar se je zgodilo povsod. Ni ene same izvorne točke. In če torej sledite temu razmišljanju, bi morala biti svetloba v ozadju. Svetloba bi morala prihajati k nam iz vseh smeri, iz najbolj oddaljenih koncev, najdlje, kar lahko vidimo. Tam bi morala biti svetloba, ki je preostala svetloba od končne ohladitve tega ognjenega stanja kozmosa.

Knjiga raziskuje pet možnih načinov, kako bi lahko prišlo do konca vesolja. Zakaj obstaja toliko različnih poti?

No, gre za nekaj stvari. Ena je ta, da ne razumemo popolnoma, zakaj se vesolje širi tako, kot je trenutno. Bilo je čas, ko smo mislili, da bo zelo preprosto, ker smo imeli dobro teorijo gravitacije, splošno relativnostno teorijo in bi lahko izmerili hitrost širjenja vesolja in vedeli smo, kako bi morale vse stvari v vesolju upočasnjevati širitev. In tako je bilo le treba ugotoviti ravnotežje med širjenjem in gravitacijo.

Torej, če bi bila širitev prehitra za vso gravitacijo, potem je ne bi dovolj upočasnila in bi se širila za vedno. In če širitev ne bi bila dovolj hitra ali če bi bilo preveč gravitacije, bi gravitacija zmagala, upočasnila širitev, jo ustavila in imeli bi ponoven kolaspe - velik krč. In tako so bile nekaj časa to edine možnosti, ki so imele smisel.

Toda potem, ko je bilo odkrito, da se vesolje dejansko pospešuje v svoji širitvi, smo morali vesolju dodati novo komponento. Morali smo revidirati naše razumevanje in vključiti to stvar, imenovano temna energija. In temna energija je nekaj, zaradi česar se vesolje hitreje širi. A ker v resnici ne razumemo temne energije, ne moremo z veliko gotovostjo reči, da gredo stvari tja. Torej, zato so stvari, kot sta velik raztrg ali velik škrtanje, še vedno na mizi in zdi se, da gremo proti toplotni smrti.

In potem dve nenavadni ideji, vakuumski razpad in odbijajoče kozmologije, izhajata iz dejstva, da še vedno poskušamo veliko razumeti o zelo zgodnjem vesolju in fiziki delcev. Tako je skokovita kozmologija izšla iz ideje, da morda naše trenutno najboljše ugibanje o zelo zgodnjem vesolju, tej inflacijski fazi, morda to ni cela zgodba. Mogoče se to ni zgodilo. Mogoče je v zelo zgodnjem vesolju prišlo do neke druge evolucije, ki je pripeljala do razmer, ki jih vidimo danes. In če je to res, potem lahko nekatere od teh idej vodijo do teh čudnih cikličnih kozmologij.

In potem zamisel o vakuumskem razpadu v resnici izhaja iz dejstva, da je naše znanje o fiziki delcev nepopolno in da trenutno najboljše razumevanje našega znanje o fiziki delcev kaže, da način delovanja fizike delcev trenutno ni popolnoma stabilen, zaradi česar je vesolje ranljivo za ta razpad postopek. Če bi torej bolje razumeli fiziko delcev, če bi bolje razumeli zelo, zelo zgodnje dele vesolja, potem bi lahko rekli nekaj o teh dveh modelih. A zaenkrat jih ne moremo niti izključiti niti z gotovostjo trditi, da gredo stvari po njih.

Kateri izmed vseh scenarijev je najbolj verjeten?

Smrt zaradi vročine velja za najverjetnejšo, delno zato, ker zahteva najmanj dodatnih čudnih stvari. Torej, v kozmologiji želimo stvari čim bolj poenostaviti. Radi ne prevzemamo nobenih novih komponent vesolja, razen če je to nujno potrebno. In scenarij toplotne smrti ima nekakšno temno energijo, ki je ta kozmološka konstanta, česar ne razumemo povsem. Ampak to je zamisel, ki obstaja že od Einsteina, in to je le lastnost prostora-časa, da ima ta majhen kanček razširitve vgrajen vanj.

To nam torej daje zelo preprosto, neposredno evolucijo, kjer se vesolje nenehno pospešuje v svoji ekspanziji in vse samo izgine. In to je zelo smiselno, če ima vesolje temno snov, običajno snov in kozmološko konstanto kot temno energijo. Ni vam treba domnevati nič bolj zapletenega od tega. Implicitno v tem je, da se je inflacija res zgodila in da je bil to začetek vesolja. To je del tako imenovanega modela skladnosti kozmologije, kjer je vse tako preprosto in dolgočasno, kot si lahko predstavljate.

Toda razlog, da se ne strinjamo s tem in rečemo, da smo končali, je ta, da res ne vemo zagotovo, da je temna energija kozmološki koncept. In tako ostane nekaj prostora. Prav tako ne moremo z gotovostjo trditi, da dovolj razumemo fiziko delcev, da bi rekli, da vakuumski razpad ne bo ali da zgodnja evolucija vesolja ni bila dovolj drugačna, da bi pomenila neko ciklično fazo konec.

Nekatere omenjate novi radijski teleskopi ki bo znanstvenikom omogočil opazovanje nastajanja prvih struktur vesolja. Kaj se strokovnjaki upajo naučiti iz tega?

Dobili bomo boljšo sliko evolucije kozmosa skozi to obdobje med svetlobo ozadja in sodobnim vesoljem, kjer smo, veste, vesolje, polno galaksij. Obstaja razumno velik kos časa, kjer imamo malo informacij o tem, kaj se je takrat dogajalo. Tako se bomo veliko naučili o razvoju vesolja. Dobili bomo le meritve veliko več galaksij. Zato sem v knjigi omenil observatorij Vere Rubin, ki bo načrtoval nekaj milijard galaksije in nam pokažejo, kako se gibljejo skozi vesolje in kako se razvijajo skozi čas ter kako razdeljen. In to nam bo dalo veliko informacij samo o postavitvi vesolja in evoluciji kozmosa. To bodo torej pomembni namigi.

Lahko se tudi naučimo o drugih vidikih fizike. Zato me zanimajo nekateri od teh velikih nizov radijskih teleskopov, ker bi nam morda lahko povedali nekaj o temni snovi, če temna snov uničuje v oddaljenem vesolju. To lahko spremeni razvoj prvih zvezd in galaksij in nam lahko da namige za naslednji korak v fiziki delcev. In tako obstaja veliko stvari, ki bi jih morda lahko izpolnili, če bi le imeli veliko več podatkov o oddaljeno vesolje, zgodnje vesolje, druge galaksije - neke vrste zora galaktičnega obdobja, lahko reči. V resnici gre samo za boljši zemljevid in boljšo zgodovino ter iskanje presenečenj. Veste, resnično upamo, da bomo videli nove in zanimive pojave, ko bomo dobili vse več podatkov.

Ali lahko pojasnite razliko med temna energija in temna snov?

Ja, torej temna snov in temna energija delujeta na vesolje na precej nasprotna načina. Med njima sta najpomembnejša vidika kozmosa, če razmišljate o njegovem dolgoročnem razvoju. Temna energija je torej nekaj, zaradi česar se vesolje hitreje širi. Nekako razteza prostor. Resnično upravlja razvoj kozmosa, od tu naprej. Začelo je postajati res, zelo pomembno pred približno petimi milijardami let. In zdaj nekako prevzema vesolje. In tako smo od tukaj naprej prepuščeni njegovi milosti in nemilosti v smislu evolucije kozmosa.

Toda temna snov je na nek način odgovorna za celotno kopičenje strukture v vesolju, torej za rast galaksij in jat galaksij. Vsi so zgrajeni na odrih temne snovi. Temna snov je torej neke vrste nevidna snov, vendar je večina snovi v vesolju in ima nekaj lastnosti, zaradi katerih se lažje združi in zgradi oder, na katerem je pomembno vse ostalo je zgrajena. In ker je snov, ker je večina snovi v vesolju, deluje tako, da poskuša upočasniti širjenje vesolja. In nekaj časa je upočasnjevalo širjenje vesolja in šele pred približno petimi milijardami let je vesolje postalo tako veliko, da ga je prevzela temna energija.

Vaše navdušenje se v knjigi zelo izrazi, zlasti ko govorite o stvareh, kot je Hubblov radij. Katere druge stvari so na vašem področju tako vznemirljive, da jih preprosto delite z drugimi ljudmi?

Mislim, samo dejstvo, da lahko preteklost vidimo zelo neposredno, me še naprej preseneča. Dejstvo, da lahko zadnje faze velikega poka vidimo neposredno s teleskopi, z mikrovalovnimi sprejemniki. Pobiramo svetlobo zadnjih stopenj velikega poka v vse smeri. Dejstvo, da lahko samo pogledamo v vesolje in vidimo preteklost ter se tako učimo o lastni zgodovini, se mi zdi super neverjetno. To me ves čas preseneča. In potem, veste, obstajajo samo vsi ti čudni vidiki kozmologije, čudne stvari v fiziki, ki se pojavijo, če ste v vesolju, ki se širi in ga ureja relativnost. Torej ste omenili to stvar o tem, da na določeni točki galaksije niso več videti manjše. Veste, galaksija enake velikosti bi bila videti večja, kar je čudno, ko greste vse dlje in dlje.

Potem je tu še samo dejstvo, da lahko vidimo širjenje vesolja, da lahko to preslikamo skozi čas, je neverjetno. Sploh ne vem, ali sem o tem res govoril v knjigi, a ko pogledamo zelo oddaljene supernove, sončne eksplozije, se zdijo da se dogajajo počasneje, če so daleč stran, ker širjenje vesolja raztegne tudi čas v tem res čudnem način. Torej način, na katerega prostor in čas medsebojno vplivata, postane zelo zmeden in nenavaden, ko se ukvarjate s kozmologijo, in to je res zanimivo. Veste, relativnost dela čudne stvari s prostorom in časom v najrazličnejših kontekstih. To se mi zdi neverjetno in kul.

V kozmologiji je veliko neznanega. Katero skrivnost bi radi razrešili?

Oh, toliko jih je. Celotna stvar s temno snovjo/temno energijo je ogromna. Če bi poznali naravo temne snovi, bi to vsekakor močno pomagalo pri razumevanju fizike na splošno.

Ampak mislim, da bi bilo morda najbolj vplivno vedeti, ali je prišlo do inflacije in nato, na primer, kako in zakaj. Če bi torej zapolnili le majhen, majhen trenutek časa na samem začetku vesolja, bi resnično spremenili vse o naši podobi vesolja. Če bi zagotovo vedeli, da se je to zgodilo, bi nam to povedalo nekaj o nastanku vesolja, kar bi nam pomagalo, da bi lahko rekli tudi o njegovi prihodnosti. To bi nam resnično omogočilo nadzor nad temeljno strukturo kozmosa. Torej, ja, razumevanje inflacije, temne snovi, temne energije, to so neke vrste velike, mislim. In potem, veste, obstajajo stvari, kot je ugotavljanje, kako povezati splošno relativnostno teorijo in fiziko delcev. Ampak mislim, da če bi poznali odgovore na inflacijo, temno snov in temno energijo, mislim, da bi nam to dalo veliko namigov o tem, kako sestaviti bolj popolno sliko fizike.

V knjigi pišete nekaj o eksistencializmu in strahu. Je to samo nekaj, o čemer razmišljate, ker pišete to knjigo, ali je nekako vedno prisotno?

Ali me straši? Mislim, mislim, da je to vsekakor nekaj, s čimer sem se počutil, kot da se moram spopasti za knjigo, ker sem mislim, da je naravno zastaviti vprašanje, če ne gremo večno, kaj to sploh pomeni pomeni? Na primer, kaj je smisel življenja? Kakšen je namen obstoja, če ima končni datum? Torej je bilo vsekakor nekaj, kar se je pojavilo pri razmišljanju o vseh teh velikih vprašanjih. Nisem nekdo, ki bi ves svoj čas premišljeval o smislu življenja na splošno. Ponavadi se ne ujamem v te stvari. In tudi, nisem nekdo, ki bi rad razmišljal o smrti. Zelo sem se trudil, da bi se izognil razmišljanju o smrti, ker se mi zdi zelo zaskrbljujoče. Tako da je res nastalo zaradi razmišljanja o tej knjigi in poskusa postaviti nek kontekst okoli teh velikih idej, ker je resničnost taka, da imamo čustveni odziv na vesolje. Tudi če se to zdi neracionalno s strogo praktičnega vidika, se je temu odzivu težko izogniti.

Priporočila urednikov

• 5.000 'oči' bo skeniralo nočno nebo in iskalo namige do uganke temne energije
• Kako prepoznavanje obraza pomaga astronomom razkriti skrivnosti temne snovi
• Vesoljski teleskop za raziskovanje skrivnosti temne energije in temne snovi