За словами астрофізика, таким чином закінчиться Всесвіт

«Наші споглядання космосу хвилюють нас», якось сказав покійний астроном Карл Саган. «У хребті відчувається поколювання, у голосі зривається голос, слабке відчуття, наче далекий спогад про падіння. з великої висоти». Якщо роздуми про Всесвіт викликають тремтіння, то думки про його кінець можуть змусити вас землетрус.

У своїй новій книзі Кінець усього: (астрофізично), астрофізик-теоретик доктор Кеті Мак починає з Великого вибуху — теорії про те, як виник Всесвіт. Її початок може багато розповісти таким космологам, як вона, про її неминучий кінець. Вона весело проводить читачів через п’ять астрофізичних апокаліпсисів: великий хрускіт, теплову смерть, великий розрив, розпад вакууму та великий відскок. Щоб ви не застрягли в кварк-глюонній плазмі (не хвилюйтеся, вона це пояснює), Мак зберігає все доступним і розмовним. Це набагато веселіше, ніж ви очікували б від книги про кінець Всесвіту. Не дозволяйте екзистенціальному страху про кінець Всесвіту вас збентежити, здається вона каже.

Ми поговорили з Маком про темну енергію проти темної матерії, про те, як телескопи дозволяють нам буквально зазирнути в минуле, і дивовижність космосу.

(Цю розмову було дещо відредаговано для ясності.)

Digital Trends: Що спонукало вас написати цю книгу?

Мак: Протягом багатьох років я вивчав багато різних речей у сфері, загалом, космології. Отже, космологія охоплює, знаєте, Всесвіт у цілому та його компоненти та його еволюцію. Я працював над раннім всесвітом. Я працював над темною матерією, чорними дірами, еволюцією галактик і всім цим. А останнім часом мене дуже цікавить кінець Всесвіту. і так виникла ця книга.

Ваша книга пропонує дуже доступне пояснення того, як ми можемо спостерігати Великий вибух. Чи можете ви провести нас через це?

Отже, ідея полягає в тому, що якщо Всесвіт зараз розширюється — ми спостерігаємо це, ми бачимо галактики віддаляючись одна від одної — тоді зрозуміло, що в минулому Всесвіт був більшим стиснутий. Так все було ближче. І ви можете набрати це розширення назад, і ви дійдете до моменту, коли все буде наче одне на одному.

Отже, коли Всесвіт розширюється, він стає холоднішим, речовина стає більш розсіяною, енергія стає більш розсіяною. У минулому він, мабуть, був гарячішим і щільнішим і, в певному сенсі, меншим, ніж сьогодні. Тож це, по суті, теорія Великого вибуху. Це найпростіше твердження теорії Великого вибуху, лише те, що в минулому Всесвіт був гарячішим, меншим і щільнішим.

І якщо це так, то також зрозуміло, що якщо ви дивитеся досить далеко, ви дивитеся все далі і далі в часі через час, який потрібен світлу, щоб до вас дійти. І тому ви зможете дійти до точки, де, якби Всесвіт дійсно був гарячим і щільним скрізь — якби Великий Вибух був чимось, що сталося в усьому космосі — тоді ви має бути в змозі бачити частини Всесвіту, які знаходяться так далеко, що вони все ще знаходяться в тому гарячому, щільному стані, що вони все ще перебувають на завершальній стадії цієї первісної вогняної кулі існування.

І щоб потрапити туди, ви повинні припустити, що Всесвіт великий і завжди був розширеною річчю, у що ми віримо. Ми вважаємо, що Великий Вибух - це те, що сталося всюди. Немає єдиної точки походження. І тому, якщо ви дотримуєтеся цієї міркування, то має бути фонове світло. Світло має надходити до нас з усіх боків, із найвіддаленіших куточків, найдальших, які ми можемо побачити. Має бути світло, що залишилося від остаточного охолодження цього вогняного стану космосу.

Книга досліджує п’ять можливих шляхів кінця Всесвіту. Чому існує так багато різних шляхів?

Ну, це зводиться до кількох речей. Одна полягає в тому, що ми не до кінця розуміємо, що змушує Всесвіт розширюватися таким чином, яким він є зараз. Був час, коли ми думали, що це буде досить просто, тому що у нас була хороша теорія гравітації, загальна теорія відносності, і ми ми могли виміряти швидкість розширення Всесвіту, і ми знали, як усі речі у Всесвіті повинні уповільнювати розширення. Отже, це було просто питання з’ясування балансу між розширенням і силою тяжіння.

Отже, якби розширення було надто швидким для всієї сили тяжіння, воно б не сповільнилося достатньо, і воно б розширювалося вічно. І якби розширення було недостатньо швидким або була надто сильна гравітація, тоді гравітація перемагала б, уповільнювала розширення, зупиняла його, і ми мали б повторний колапс — великий хрускіт. І тому певний час це були єдині варіанти, які мали якийсь сенс.

Але потім, коли виявилося, що Всесвіт справді прискорюється у своєму розширенні, нам довелося додати до Всесвіту новий компонент. Нам довелося переглянути наше розуміння і включити цю річ під назвою темна енергія. А темна енергія — це те, що змушує Всесвіт розширюватися швидше. Але оскільки ми насправді не розуміємо темну енергію, ми не можемо з упевненістю сказати, що саме в цьому напрямку. Отже, ось чому такі речі, як великий розрив або великий хрускіт, все ще залишаються на столі, і ми, здається, рухаємося до теплової смерті.

А потім дві дивні ідеї, вакуумний розпад і стрибаюча космологія, походять з того факту, що ми ще багато чого намагаємося зрозуміти про дуже ранній Всесвіт і фізику елементарних частинок. Отже, підстрибуюча космологія виникла з ідеї, що, можливо, наше поточне найкраще припущення про дуже ранній Всесвіт, цю інфляційну фазу, можливо, це ще не вся історія. Можливо, цього не сталося. Можливо, у дуже ранньому Всесвіті була якась інша еволюція, яка призвела до умов, які ми бачимо сьогодні. І якщо це правда, то деякі з цих ідей можуть призвести до цих дивних циклічних космологій.

І тоді ідея вакуумного розпаду насправді випливає з того факту, що наші знання з фізики елементарних частинок є неповними, а нинішнє найкраще розуміння нашого знання фізики елементарних частинок свідчать про те, що те, як фізика елементарних частинок працює зараз, просто не є повністю стабільною, що робить Всесвіт вразливим до цього розпаду процес. Отже, якби ми краще зрозуміли фізику елементарних частинок, якби ми краще зрозуміли дуже, дуже ранні частини Всесвіту, тоді ми могли б щось сказати про ці дві моделі. Але наразі ми не можемо ані виключити їх, ані з упевненістю сказати, що вони саме так, як все піде.

Який із усіх сценаріїв є найімовірнішим?

Теплова смерть вважається найбільш імовірною, частково тому, що для неї потрібно найменше додаткових дивних речей. Отже, у космології ми хочемо робити все якомога простіше. Ми хочемо не припускати створення нових компонентів Всесвіту, якщо це абсолютно не потрібно. І сценарій теплової смерті має різновид темної енергії, яка є цією космологічною константою, чого ми не зовсім розуміємо. Але це ідея, яка існує ще з часів Ейнштейна, і це просто властивість простору-часу, що він має маленьку частину вбудованого розширення.

Отже, це дає нам дуже просту, зрозумілу еволюцію, де Всесвіт продовжує прискорюватися у своєму розширенні вічно, і все це просто зникає. І це має великий сенс, якщо у Всесвіті є темна матерія, звичайна матерія та космологічна постійна як темна енергія. Вам не потрібно припускати нічого складнішого за це. Це означає, що інфляція дійсно відбулася, і це був початок Всесвіту. Це частина так званої моделі конкордансу космології, де все настільки просто і нудно, наскільки ви можете собі це уявити.

Але причина, чому ми не зупиняємося на цьому й не кажемо, що закінчили, полягає в тому, що ми дійсно не знаємо напевно, що темна енергія є космологічною концепцією. І так це залишає трохи місця. Ми також не можемо напевно сказати, що ми достатньо розуміємо фізику елементарних частинок, щоб стверджувати, що розпаду вакууму не буде або що рання еволюція Всесвіту не відрізнялася настільки, щоб означати певну циклічну фазу на кінець.

Ви згадуєте деякі нові радіотелескопи що дозволить вченим спостерігати за формуванням перших структур Всесвіту. Що експерти сподіваються отримати з цього?

Ми отримаємо краще уявлення про еволюцію космосу протягом цього періоду між фоновим світлом і сучасним Всесвітом, де ми, ви знаєте, всесвіт, повний галактик. Існує достатньо великий відрізок часу, коли ми маємо мало інформації про те, що відбувалося тоді. Отже, ми дізнаємося багато нового про еволюцію космосу. Ми отримаємо лише вимірювання набагато більшої кількості галактик. Тож я згадав у книзі обсерваторію Віри Рубін, яка збирається нанести на карту щось на зразок мільярдів галактик і показати нам, як вони рухаються у Всесвіті, як вони розвиваються з часом і як вони поширюється. І це дасть нам багато інформації лише про структуру Всесвіту та еволюцію космосу. Тож це будуть важливі підказки.

Ми також можемо дізнатися про інші аспекти фізики. Тож мене цікавлять деякі з цих великих радіотелескопів, тому що вони можуть розповісти нам щось про темну матерію, якщо темна матерія анігілює у далекому Всесвіті. Це може змінити те, як еволюціонують перші зірки та галактики, і це може дати нам підказки до наступного кроку у фізиці елементарних частинок. І тому є багато речей, які ми могли б заповнити, якби у нас було більше даних про далекий всесвіт, ранній всесвіт, інші галактики — свого роду світанок ери галактик, ви можете казати. Справа в тому, щоб просто отримати кращу карту, кращу історію та пошук сюрпризів. Ви знаєте, ми дуже сподіваємося, що ми побачимо нові та цікаві явища, оскільки ми отримуємо все більше і більше даних.

Чи можете ви пояснити різницю між темна енергія і темна матерія?

Так, темна матерія і темна енергія діють на Всесвіт досить протилежними способами. З іншого боку, вони є найважливішими аспектами космосу, якщо ви думаєте про його довгострокову еволюцію. Отже, темна енергія - це те, що змушує Всесвіт розширюватися швидше. Це як би розтягує простір. Це справді керує еволюцією космосу, відтепер. Це почало ставати дуже, дуже важливим приблизно п’ять мільярдів років тому. І зараз це ніби захоплює всесвіт. І тому ми в його милості з точки зору еволюції космосу з цього моменту.

Але темна матерія — це щось на зразок того, що відповідає за всю структуру у космосі, тобто зростання галактик і скупчень галактик. Усі вони побудовані на риштуваннях темної матерії. Отже, темна матерія — це свого роду невидима матерія, але це більша частина матерії у Всесвіті, і в ній є властивостей, що полегшує його об’єднання та створення риштувань, на яких все інше має значення будується. І оскільки це матерія, оскільки це більша частина матерії у Всесвіті, вона намагається уповільнити розширення Всесвіту. І якийсь час це сповільнювало розширення Всесвіту, і лише приблизно п’ять мільярдів років тому Всесвіт став настільки великим, що темна енергія просто взяла верх.

Ваш ентузіазм проявляється в книзі, особливо коли ви говорите про такі речі, як радіус Хаббла. Які інші подібні речі настільки захоплюючі у вашій сфері, що ви можете поділитися з іншими людьми?

Я маю на увазі, що сам факт того, що ми можемо бачити минуле дуже безпосередньо, продовжує вражати мене. Те, що ми можемо побачити останні стадії Великого вибуху безпосередньо за допомогою телескопів, за допомогою мікрохвильових приймачів. Ми збираємо світло останніх стадій Великого вибуху в усіх напрямках. Той факт, що ми можемо просто зазирнути у всесвіт і побачити минуле, а отже, дізнатися про свою власну історію, я вважаю це неймовірним. Це мене весь час дивує. А потім, знаєте, є просто всі ці дивні аспекти космології, дивні речі у фізиці, які виникають, якщо ви перебуваєте у Всесвіті, який розширюється та керується теорією відносності. Отже, ви згадали про те, що в певний момент галактики перестали виглядати меншими. Ви знаєте, галактика такого ж розміру почала б виглядати більшою, що дивно, коли ви йдете все далі і далі.

Крім того, дивовижний той факт, що ми можемо бачити розширення Всесвіту, що ми можемо нанести це на карту з часом. Я навіть не знаю, чи я справді говорив про це в книзі, але коли ми дивимося на дуже далекі наднові, сонячні вибухи, вони здаються відбувається повільніше, якщо вони далеко, тому що розширення Всесвіту також розтягує час у цьому справді дивному спосіб. Тому те, як простір і час взаємодіють одне з одним, стає дуже заплутаним і дивним, коли ви маєте справу з космологією, і це справді цікаво. Знаєте, теорія відносності просто робить дивні речі з простором і часом у будь-яких контекстах. Це я вважаю дивовижним і крутим.

У космології є багато невідомого. Яку таємницю ви б хотіли розгадати?

Ой, їх так багато. Вся тема темної матерії/темної енергії величезна. Якби ми знали природу темної матерії, це, безумовно, було б великою підмогою для нашого розуміння фізики в цілому.

Але я думаю, що, мабуть, найбільш впливовим було б знати, чи сталася інфляція, а потім, як і чому. Отже, заповнення лише крихітного, крихітного моменту часу на самому початку Всесвіту дійсно змінило б усе в нашій картині космосу. Якби ми точно знали, що це сталося, це б розповіло нам щось про походження Всесвіту, що допомогло б нам також сказати щось про його майбутнє. Це дійсно дало б нам змогу розібратися в фундаментальній структурі космосу. Отже, так, розуміючи інфляцію, темну матерію, темну енергію, я вважаю, що вони є великими. А ще, знаєте, є такі речі, як з’ясування того, як пов’язати загальну теорію відносності та фізику елементарних частинок. Але я думаю, що якби ми знали відповіді на інфляцію, темну матерію та темну енергію, це дало б нам багато підказок про те, як скласти більш повну картину фізики.

У книзі ви трохи пишете про екзистенціалізм і страх. Чи це просто те, про що ви розмірковуєте, коли пишете цю книгу, чи це завжди є?

Мене переслідує? Я маю на увазі, я думаю, що це точно те, з чим я відчував, що мені потрібно впоратися з книгою, тому що я думаю, що природно поставити запитання, знаєте, якщо ми не продовжуємо вічно, що це взагалі означає? Мовляв, у чому сенс життя? Яка мета існування, якщо воно має кінцеву дату? Тож це точно було щось, що виникло під час роздумів над усіма цими великими питаннями. Я не той, хто витрачає весь свій час на роздуми про сенс життя взагалі. Зазвичай я не захоплююся цими речами. І я також не той, хто любить думати про смерть. Я дуже старався уникати думок про смерть, тому що я вважаю це дуже тривожним. Тож це дійсно було спонукано роздумами про цю книгу та спробою вкласти певний контекст навколо цих великих ідей, тому що реальність така, що ми дійсно емоційно реагуємо на Всесвіт. Навіть якщо це здається ірраціональним із суто практичної точки зору, важко уникнути такої відповіді.

Рекомендації редакції

• 5000 «очей» скануватимуть нічне небо в пошуках підказок до загадки темної енергії
• Як розпізнавання облич допомагає астрономам розкривати таємниці темної матерії
• Космічний телескоп для дослідження таємниць темної енергії та темної матерії