Detta är hur universum kommer att sluta, enligt en astrofysiker

"Våra kontemplationer av kosmos rör oss," sa den bortgångne atronomen Carl Sagan en gång. "Det finns en stickning i ryggraden, en fångst i rösten, en svag känsla, som om ett avlägset minne av att falla från stor höjd." Om reflektion över universum ger dig en rysning, kan du få dig att tänka på dess slut skalv.

I hennes nya bok, The End of Everything: (astrofysiskt sett), den teoretiska astrofysikern Dr Katie Mack börjar med Big Bang - teorin om hur universum började. Dess början kan berätta kosmologer som henne mycket om dess oundvikliga slut. Hon tar glatt läsarna genom fem astrofysiska apokalypser: Det stora knaset, värmedöden, det stora rivet, vakuumförfallet och det stora studsandet. För att hindra dig från att fastna i kvarg-gluon-plasman (var inte orolig, hon förklarar det), håller Mack allt tillgängligt och konverserande. Det är mycket roligare än du förväntar dig att en bok om universums ände skulle vara. Låt inte den existentiella fruktan som tar slut över universum få dig ner, verkar hon säga.

Vi pratade med Mack om mörk energi kontra mörk materia, hur teleskop låter oss bokstavligen titta in i det förflutna och rymdens konstigheter.

(Denna konversation har lätt redigerats för tydlighetens skull.)

Digitala trender: Vad fick dig att skriva den här boken?

Mack: Under åren har jag studerat många olika saker inom området, i stort sett, av kosmologi. Så, kosmologi täcker, ni vet, universum som helhet och dess komponenter och dess evolution. Jag har arbetat med det tidiga universum. Jag har arbetat med mörk materia, svarta hål, galaxevolution, alla sådana saker. Och den senaste tiden har jag varit väldigt intresserad av universums ände. och det är ungefär så den här boken uppstod.

Din bok ger en mycket lättillgänglig förklaring till hur vi kan observera Big Bang. Kan du leda oss igenom det?

Så, tanken är att om universum för närvarande expanderar - vilket vi observerar, ser vi galaxer flytta ifrån varandra - då är det rimligt att förr i tiden var universum mer komprimerad. Så allt var närmare varandra. Och du kan typ slå tillbaka den förlängningen och du kommer till en punkt där allt var typ ovanpå varandra.

Så när universum expanderar blir det svalare, materia blir mer diffus, energi blir mer diffus. Förr måste det ha varit varmare och tätare och i någon mening mindre än idag. Så det är i grunden Big Bang Theory. Det är det mest förenklade uttalandet från Big Bang Theory, bara att universum var hetare och mindre och tätare förr.

Och om så är fallet, så är det också naturligt att om du tittar tillräckligt långt bort, så tittar du längre och längre tillbaka i tiden, på grund av den tid det tar ljus att resa till dig. Och så du borde kunna komma till en punkt där om universum verkligen var varmt och tätt överallt - om Big Bang var något som hände i hela kosmos - då borde kunna se delar av universum som är så långt borta att de fortfarande är i det varma, täta tillståndet, att de fortfarande är i slutskedet av den typen av ureldklot existens.

Och för att komma dit måste du anta att universum är stort och alltid varit en utvidgad sak, vilket vi tror. Vi tror att Big Bang är något som hände överallt. Det finns ingen enskild ursprungspunkt. Och så om du följer det resonemanget, så borde det finnas bakgrundsljus. Det borde komma ljus till oss från alla håll, från de mest avlägsna delarna, det längsta vi kunde se. Det borde finnas ljuset som är det överblivna ljuset från den slutliga avkylningen av det eldiga tillståndet i kosmos.

Boken utforskar fem möjliga sätt som universum kan ta slut. Varför finns det så många olika sätt det kan gå?

Tja, det handlar om några saker. En är att vi inte helt förstår vad som får universum att expandera på det sätt som det är just nu. Det fanns en tid när vi trodde att det skulle vara ganska enkelt eftersom vi hade en bra teori om gravitation, allmän relativitet, och vi kunde mäta universums expansionshastighet, och vi visste hur allt i universum borde sakta ner expansion. Och så då var det bara att lista ut balansen mellan expansionen och gravitationen.

Så om expansionen var för snabb för all gravitation, skulle den inte sakta ner tillräckligt mycket och den skulle expandera för alltid. Och om expansionen inte var tillräckligt snabb eller om det fanns för mycket gravitation, då skulle gravitationen vinna, sakta ner expansionen, stoppa den och vi skulle ha ett återupptagande – det stora kritan. Och så under en tid var det de enda alternativen som var vettiga.

Men sedan, när det upptäcktes att universum faktiskt accelererade i sin expansion, var vi tvungna att lägga till en ny komponent till universum. Vi var tvungna att revidera vår förståelse och lägga in det här som kallas mörk energi. Och mörk energi är något som får universum att expandera snabbare. Men eftersom vi inte riktigt förstår mörk energi, kan vi inte med stor säkerhet säga att det är dit det går. Så det är därför saker som det stora rivet eller det stora krisen fortfarande ligger på bordet och värmedöden är den som vi verkar vara på väg mot.

Och sedan kommer de två udda idéerna, vakuumförfall och studsande kosmologier, från det faktum att det finns mycket vi fortfarande försöker förstå om det mycket tidiga universum och partikelfysik. Så den studsande kosmologin har kommit ur idén att kanske vår nuvarande bästa gissning på det mycket tidiga universum, denna inflationsfas, det kanske inte är hela historien. Det kanske inte hände. Kanske fanns det någon annan evolution i det mycket tidiga universum som ledde till de förhållanden som vi ser idag. Och om det är sant, då kan några av dessa idéer leda till dessa främmande cykliska kosmologier.

Och då kommer idén om vakuumförfall verkligen ur det faktum att vår partikelfysikkunskap är ofullständig, och den nuvarande bästa förståelsen för vår kunskap om partikelfysik tyder på att hur partikelfysik fungerar just nu inte är helt stabil, vilket gör universum sårbart för detta förfall bearbeta. Så om vi bättre förstod partikelfysik, om vi bättre förstod de mycket, mycket tidiga delarna av universum, då skulle vi kunna säga något om dessa två modeller. Men för närvarande kan vi varken utesluta dem eller med säkerhet säga att det är så det kommer att gå.

Vilket är det mest sannolika av alla scenarier?

Värmedöd anses vara den mest sannolika, delvis för att det kräver minsta möjliga konstiga saker. Så inom kosmologin gillar vi att hålla saker och ting så enkla som möjligt. Vi gillar att inte anta några nya komponenter i universum om vi inte absolut måste. Och scenariot med värmedöd har en sorts mörk energi som är denna kosmologiska konstant, vilket är något vi inte helt förstår. Men det är en idé som har funnits sedan Einstein, och det är bara en egenskap hos rumtiden, att den har denna lilla expansion inbyggd i sig.

Så det ger oss en mycket enkel, okomplicerad evolution, där universum fortsätter att accelerera i sin expansion för alltid och allt bara försvinner. Och det är mycket vettigt om universum har mörk materia, vanlig materia och en kosmologisk konstant som mörk energi. Du behöver inte anta något mer komplicerat än så. Implicit i det är att inflationen hände, och det var början på universum. Det är en del av den så kallade konkordansmodellen för kosmologi där allt är så enkelt och tråkigt som du kan föreställa dig att det är.

Men anledningen till att vi inte bara nöjer oss med det och säger att vi är klara är för att vi verkligen inte vet säkert att den mörka energin är ett kosmologiskt koncept. Och så det lämnar lite utrymme. Vi kan inte heller med säkerhet säga att vi förstår partikelfysik tillräckligt för att säga att vakuumsönderfall inte kommer att hända eller att den tidiga universumevolutionen inte var tillräckligt annorlunda för att antyda någon cyklisk fas vid slutet.

Du nämner några nya radioteleskop som gör det möjligt för forskare att se de första strukturerna i universum bildas. Vad hoppas experterna lära sig av det?

Vi kommer att få en bättre bild av utvecklingen av kosmos genom denna period mellan bakgrundsljuset och det moderna universum där vi är, ni vet, universum fullt av galaxer. Det finns en lagom stor del av tiden där vi har lite information om vad som hände då. Så vi kommer att lära oss mycket om evolutionen av kosmos. Vi får bara mätningar av mycket fler galaxer. Så jag nämnde i boken Vera Rubin-observatoriet, som kommer att kartlägga något liknande miljarder galaxer och visa oss hur de rör sig genom universum och hur de utvecklas över tiden och hur de är distribuerad. Och det kommer att ge oss mycket information om bara universums layout och evolutionen av kosmos. Så det kommer att vara viktiga ledtrådar.

Vi kan också lära oss om andra aspekter av fysiken. Så jag är intresserad av några av dessa stora radioteleskoparrayer, eftersom de kanske kan berätta något om mörk materia, om mörk materia håller på att utplånas i det avlägsna universum. Det kan förändra hur de första stjärnorna och galaxerna utvecklas, och det kan ge oss några ledtrådar till nästa steg i partikelfysik. Och så det finns massor av saker vi kanske kan fylla i om vi bara har mycket mer information om avlägset universum, det tidiga universum, andra galaxer - den sortens gryning av galaxepoken, du kanske säga. Det är verkligen en fråga om att bara skaffa en bättre karta och få en bättre historia och leta efter överraskningar. Du vet, vi hoppas verkligen att vi ser nya och intressanta fenomen när vi får mer och mer data.

Kan du förklara skillnaden mellan mörk energi och mörk materia?

Ja, så, mörk materia och mörk energi verkar på universum på ganska motsatta sätt. Mellan de två är de de viktigaste aspekterna av kosmos om du tänker på dess långsiktiga utveckling. Så mörk energi är något som får universum att expandera snabbare. Det liksom sträcker ut rymden. Det styr verkligen utvecklingen av kosmos, från och med nu. Det började bli riktigt, riktigt viktigt för kanske fem miljarder år sedan. Och det håller på att ta över universum nu. Och så är vi utlämnade till dess nåd när det gäller utvecklingen av kosmos härifrån och ut.

Men mörk materia är typ det som är ansvarigt för all uppbyggnad av struktur i kosmos, så tillväxten av galaxer och galaxhopar. De är alla byggda på ställningar av mörk materia. Så mörk materia är någon form av osynlig materia, men det är det mesta av materia i universum, och det har en del egenskaper som gör det lättare för den att gå samman och bygga ställningarna som allt annat spelar roll är byggt. Och eftersom det är materia, eftersom det är det mesta av materia i universum, agerar det för att försöka bromsa universums expansion. Och ett tag bromsade det universums expansion, och det var inte förrän för ungefär fem miljarder år sedan som universum blev så stort att mörk energi bara tog över.

Din entusiasm kommer igenom mycket i boken, särskilt när du pratar om saker som Hubble-radien. Vad är några av de andra sakerna som är så spännande inom ditt område som du bara har delat med andra människor?

Jag menar, bara det faktum att vi kan se det förflutna väldigt direkt fortsätter att förvirra mig. Det faktum att vi kan se slutskedet av Big Bang direkt med teleskop, med mikrovågsmottagare. Vi plockar upp ljuset från de sista stadierna av Big Bang i alla riktningar. Det faktum att vi bara kan titta ut i universum och se det förflutna och därför lära oss om vår egen historia, jag tycker att det är superhäpnadsväckande. Det förvånar mig hela tiden. Och sedan, du vet, det finns bara alla dessa konstiga aspekter av kosmologi, konstiga saker i fysiken som dyker upp om du är i ett universum som expanderar och styrs av relativiteten. Så du nämnde det här om att galaxer vid en viss tidpunkt slutar se mindre ut längre. Du vet, en galax av samma storlek skulle börja se större ut, vilket är konstigt, när du går längre och längre ut.

Sedan är det bara det faktum att vi kan se universums expansion, att vi kan kartlägga det över tid, är fantastiskt. Jag vet inte ens om jag verkligen pratade om detta i boken, men när vi tittar på mycket avlägsna supernovor, solexplosioner, dyker de upp att hända långsammare om de är långt borta, eftersom universums expansion sträcker ut tiden också i detta riktigt konstiga sätt. Så sättet som rum och tid interagerar med varandra blir väldigt förvirrande och konstigt när du har att göra med kosmologi, och det är verkligen intressant. Du vet, relativitetsteori gör bara konstiga saker med rum och tid i alla möjliga sammanhang. Som jag tycker är fantastiskt och coolt.

Det finns mycket i kosmologi som är okänt. Vad är ett mysterium du skulle älska att lösa?

Åh, det finns så många. Hela grejen med mörk materia/mörk energi är enorm. Om vi ​​kände till mörk materias natur, skulle det definitivt vara en stor hjälp för vår förståelse av fysiken i allmänhet.

Men jag tror att det som kanske skulle ha störst effekt skulle vara att verkligen veta om inflation inträffade och sedan, hur och varför. Så att bara fylla i ett litet, litet ögonblick i början av universum skulle verkligen förändra allt med vår bild av kosmos. Om vi ​​säkert visste att detta hände, skulle det berätta något om universums ursprung som skulle hjälpa oss att kunna säga något om dess framtid också. Det skulle verkligen låta oss ha grepp om den grundläggande strukturen i kosmos. Så ja, att förstå inflation, mörk materia, mörk energi, det är den typen av de stora, tror jag. Och sedan, du vet, det finns saker som att ta reda på hur man kopplar samman allmän relativitet och partikelfysik. Men jag tror att om vi visste svaren på inflation, mörk materia och mörk energi, tror jag att det skulle ge oss en hel del ledtrådar om hur man sätter ihop en mer komplett bild av fysiken.

Du skriver lite om existentialism och rädsla i boken. Är det bara något som du reflekterar över för att du skriver den här boken, eller finns den typ alltid där?

Är jag hemsökt? Jag menar, jag tror att det definitivt är något jag kände att jag var tvungen att brottas med för boken, eftersom jag tycker att det är naturligt att ställa frågan om, du vet, om vi inte fortsätter för evigt, vad gör det ens betyda? Som, vad är meningen med livet? Vad är syftet med tillvaron om det har ett slutdatum? Så det var definitivt något som dök upp när jag tänkte på alla dessa stora frågor. Jag är inte någon som lägger all min tid på att fundera över meningen med livet i allmänhet. Jag brukar inte fastna i sånt där. Och jag är inte heller någon som gillar att tänka på döden. Jag försökte väldigt hårt för att undvika att tänka på döden eftersom jag tycker att det är väldigt oroande. Så det var verkligen motiverat av att tänka på den här boken och försöka sätta ett sammanhang kring dessa stora idéer, eftersom verkligheten är att vi har en känslomässig reaktion på universum. Även om det verkar irrationellt ur en strikt praktisk synvinkel, är det svårt att undvika att få det svaret.

Redaktörens rekommendationer

• 5 000 "ögon" kommer att skanna natthimlen efter ledtrådar till pusslet med mörk energi
• Hur ansiktsigenkänning hjälper astronomer att avslöja hemligheterna bakom mörk materia
• Rymdteleskop för att undersöka mysterierna med mörk energi och mörk materia