Теория большого сжатия кратко
Обновлено: 02.07.2024
Постапокалиптические сюжеты становятся всё популярнее. Многие люди буквально мечтают о конце света, чтобы начать новую жизнь, пускай опасную, но увлекательную, где они смогут сбросить с себя оковы современной кастовой системы, а после возродить цивилизацию в более чистом виде.
Но эти фантазии почти всегда охватывают только сценарии конца света на Земле. Если же апокалипсис наступит в масштабах Вселенной, ни о какой борьбе с зомби или жизни в бункерах под радиоактивной пустошью, населённой мутантами, можно не мечтать.
Вот несколько научных версий того, как будет уничтожена наша Вселенная. Большинство из них намного страшнее тех картин, что показывают в популярной культуре.
1. Теория Большого разрыва
Многие вещи в квантовой физике остаются загадкой даже для лучших умов планеты. Одним из самых насущных вопросов является наличие тёмной энергии. По подсчётам учёных она составляет примерно 68,3% всей массы Вселенной. Это гипотетический вид энергии, и им пытаются объяснить ускорение расширения Вселенной, которое по всем законам физики должно было, наоборот, замедляться.
Так может наступить Большой разрыв – гипотетический сценарий, когда тёмная энергия станет сильнее обычной и начнёт отталкивать друг от друга сначала галактики, затем звёзды, планеты и так вплоть до мельчайших частиц. В конце концов тёмная энергия вытолкнет ядра из атомов и разорвёт всю материю.
Учитывая то, что наличие тёмной энергии оспаривается многими учёными, эта теория может быть ошибочной.
2. Теория Большого краха
Некоторые учёные придерживаются теории Большого краха, похожей на теорию Большого разрыва. По ней всё во Вселенной может взять и одновременно распасться на составляющие. Дело в том, что всё в этом мире состоит из частиц, будь то муравей или звезда. Любая материя подчиняется так называемым фундаментальным константам, которые являются неизменными во всей Вселенной. Примеры констант: скорость света и масса протона.
Но, как выяснили физики из Австралии, постоянная тонкой структуры изменилась как в пространстве, так и во времени после Большого взрыва. Это значит, что фундаментальные константы всё-таки могут трансформироваться. Если одна из них изменит значение, тогда то, что заставляет атомы притягиваться друг к другу, может преобразиться и заставить их отталкиваться. Однако, по мнению учёных, этого не должно произойти в ближайшие 3 тыс. млрд лет.
3. Столкновение с другой Вселенной
Есть две основных теории о размере Вселенной. Одни учёные предполагают, что она конечна, другие считают, что она бесконечна. Если верно предположение первых, то за границами нашей Вселенной может скрываться другая Вселенная. Никто не мешает им столкнуться, если между ними действуют всё те же законы гравитации, что и в нашей Вселенной.
Тут есть две основные проблемы. Одна из них – огромные скорости, на которых расширяется Вселенная. Если другие миры расширяются так же быстро, то их столкновение будет иметь разрушительные последствия. Вторая – возможное отличие законов физики. Если в нашей Вселенной гравитация действует по одному принципу, в другой она может отличаться, и никто не знает, к чему приведёт их взаимодействие.
4. Теория Большого сжатия
Здесь всё снова сводится к размерам Вселенной. Если она бесконечна, никаких проблем нет. Если конечна, это может привести к апокалипсису. Дело в том, что с момента Большого взрыва наша Вселенная продолжает непрерывно расширяться. Однажды она может достичь предела и начать сжиматься. После этого Вселенная коллапсирует и схлопнется в сингулярность (её предполагаемое состояние в начале Большого взрыва).
Большое сжатие не противоречит общей теории относительности, так что реализация этого сценария вполне возможна. К счастью, это не должно произойти ещё многие миллиарды лет.
5. Теория Большого отскока
Когда создавалась теория Большого взрыва, она не учитывала то, что происходило до этого события и что его вызвало. По данной теории Вселенная появилась из сингулярности, то есть из одной точки. Это не совсем согласуется с общей теорией относительности, и физики стали искать другое объяснение возникновению Вселенной.
Они разработали теорию Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада предыдущей Вселенной. По этой же теории наша Вселенная может схлопнуться, и из неё возникнет новый мир. Интересно то, что по теории Большого отскока наша Вселенная могла быть создана как в результате первого цикла, так и миллиардного.
6. Эпоха чёрных дыр
Постепенно количество свободного вещества будет уменьшаться, и прекратится образование новых звёзд. Начнёт появляться всё больше белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр. Все галактики, входящие в состав локального скопления, сольются в одну.
Чёрные дыры будут поглощать всё оставшееся вещество и излучать его в виде фотонов. По одной из теорий чёрные дыры будут сталкиваться между собой, пока не образуют огромную чёрную дыру с бесконечной продолжительностью жизни. Она же, если разогреется до планковской температуры и достигнет планковской плотности, может вызвать новый Большой взрыв.
Если этого не произойдёт, и все чёрные дыры вместо слияния в одну большую коллапсируют, во Вселенной не останется никаких источников энергии, температура приблизится к абсолютному нулю, и оставшиеся атомы позитрония со временем полностью аннигилируют, после чего наступит эпоха вечной тьмы.
7. Отключение смоделированной Вселенной
Существует достаточно популярная теория о том, что наша Вселенная – это компьютерная симуляция. Раньше эта теория натыкалась на главный аргумент в невозможности смоделировать столь огромное и детализированное пространство на компьютерах любых мощностей. Но сегодня с ростом производительности суперкомпьютеров эта теория уже не выглядит такой неправдоподобной.
Если наша Вселенная действительно смоделирована, то она могла включаться и выключаться уже несколько раз для очередного обновления, технического обслуживания или по другим причинам. Интересно то, что мы этого просто не заметим, ведь для нас, помещённых в своеобразный стазис, не пройдёт и доли секунды с момента отключения до включения.
Но если всё же кто-то решит, что этот проект не стоит затрат мощностей, и нажмёт на кнопку выключения, для всех живых существ мгновенно наступит небытие. Возможно, это одна из тех странных научных теорий, которые могут оказаться правдой.
Больше всего во Вселенной нас удивляет то, как мало мы о ней знаем. И точно так же, как мы хотим знать, что происходит с нашей смертью, наука задается вопросом о том, что происходит в конце Вселенной. Научное сообщество произвело много теорий — и некоторые действительно впечатляют.
Большое Сжатие
Наиболее убедительная теория о том, как началась Вселенная — это Большой Взрыв, когда вся материя сначала была в виде сингулярности, бесконечно плотной точки в бездне из ничего. Потому что-то привело к взрыву. Материя расширилась с невероятной скоростью и в конечном счете сформировала Вселенную, которую мы видим сегодня.
Большое Сжатие, как вы можете догадаться, это противоположность Большому Взрыву. Вся материя расширяется наружу к краям Вселенной под воздействием гравитации нашей вселенной. Согласно этой теории, гравитация в конечном счете замедлится и начнет сокращаться. Это сокращение вернет всю материю (планеты, звезды, галактики, черные дыры — все) обратно в центр, с которого все началось, и сожмет в сингулярность. Мы окажемся в тех же условиях, в которых была вселенная до Большого Взрыва — вся материя вселенной сожмется в бесконечно малую точку — инфинитезималь.
Однако вряд ли это произойдет, если верить тем знаниям, которые у нас сейчас есть, поскольку Вселенная расширяется все более быстрыми темпами.
Неизбежная тепловая смерть Вселенной
Думайте о тепловой смерти как о чем-то, совершенно противоположном Большому Сжатию. Гравитация не сможет преодолеть расширение, поэтому вселенная просто будет расширяться в геометрической прогрессии. Галактики будут отдаляться друг от друга как несчастные любовники, и ночь между ними будет все шире и шире.
Тепловая смерть из-за черных дыр
Согласно популярной теории, большая часть материи во вселенной кружится вокруг черных дыр. Достаточно взглянуть на галактики, в которых вмещается почти все, и сверхмассивные черные дыры в их центрах. Черные дыры съедают звезды и целые галактики, которые пересекают горизонт событий.
В конечной вселенной эти черные дыры в конечном итоге поглотят большую часть материи и мы останемся наедине с темной вселенной. Время от времени будет вспышка света, почти как молния, когда объект подойдет достаточно близко к черной дыре, чтобы испустить энергию, и снова все погрузится во тьму. В конечном итоге останутся только гравитационные колодцы в нигде. Массивные черные дыры поглотят меньшие и станут еще больше. Таким будет финальное состояние вселенной. Со временем черные дыры испаряются (теряют свою массу), излучая так называемое излучение Хокинга. Поэтому, когда умрет последняя черная дыра, мы останемся с равномерно распределенными субатомными частицами излучения Хокинга.
Конец времени
Если и есть что-то вечное, то это время. Вне зависимости, существует вселенная или нет, время идет своим чередом. В противном случае не было бы никакой возможности отличить один момент от следующего (хотя есть теория, что время — это всего лишь последовательность событий). Но что, если время просто застынет? Что, если не будет больше моментов? Просто одна и та же минута во времени, навсегда.
Предположим, что мы живем во Вселенной, когда никогда не закончится. С бесконечным количеством временем все, что может случиться, случится со 100-процентной вероятностью (согласно теории Пуанкаре). Этот же парадокс произойдет, если вы будете жить вечно. Вы живете бесконечное время, поэтому любое событие случится гарантированно (и произойдет бесконечное количество раз). Поэтому, если вы будете жить вечно, шанс того, что вы застынете во времени, 100-процентный. Поскольку это допущение спутало множество расчетов, которые пытались предсказать конец нашей вселенной, ученые предположили кое-что еще: само время должно однажды остановиться.
Допустим, вы будете живы, чтобы это испытать (миллиарды лет после конца Земли), но вы не сможете понять, что что-то пошло не так. Время просто остановится и все замерзнет, как снимок, как слепок, навсегда. Но и навсегда это не будет, потому что время просто не будет двигаться вперед. Это будет просто один момент времени. Вы никогда не умрете и не постареете. Это своего рода псевдобессмертие, но вы об этом никогда не узнаете.
Большой Отскок
Большой Отскок похож на Большое Сжатие, но куда более оптимистичен. Представьте себе тот же сценарий: гравитация замедляет расширение Вселенной и конденсирует все в одной точке. Согласно теории, этого сжатия может быть достаточно, чтобы начать еще один взрыв, и вселенная начнется снова. Ничто не уничтожится, но перераспределится.
Физикам не нравится это объяснение, поэтому некоторые ученые полагают, что вселенная просто не вернется обратно к сингулярности. Скорее она очень близко приблизится к этому состоянию и отскочит, подобно тому, как мяч отскакивает от пола. Большой Отскок в этом плане очень похож на Большой Взрыв и теоретически может породить новую вселенную. В этом колеблющемся цикле наша вселенная может стать первой вселенной в серии или четырехсотой. Никто не узнает об этом.
Большой Разрыв
Самая страшная часть этой теории в том, что хотя большинство этих сценариев случаются после того, как сгорают звезды, Большой Разрыв должен произойти, по ранним оценкам, через 16 миллиардов лет. На этой стадии Вселенная, планеты и теоретически жизнь еще будут существовать. Этот катаклизм может сжечь ее живьем, оторвать от всего сущего и скормить космическим львам, которые живут между вселенными. Неизвестно, что будет. Но эта смерть явно более жестокая, чем медленная тепловая смерть.
Событие вакуумной метастабильности
Эта теория зависит от идеи того, что Вселенная существует в принципиально нестабильном состоянии. Если вы посмотрите на значения квантовых частиц, нетрудно догадаться, почему некоторые полагают, что наша Вселенная балансирует на грани устойчивости. Некоторые ученые предполагают, что спустя миллиарды лет Вселенная просто упадет с этой грани. Когда это случится, в какой-то момент времени во вселенной появится пузырь. Этот пузырь будет расширяться во всех направлениях со скоростью света и уничтожит все, к чему прикоснется. В конце концов этот пузырь уничтожит все во Вселенной.
Но не переживайте: вселенная все еще будет там. Законы физики будут другими, а возможно — и другая жизнь. Но во вселенной не будет ничего, чего мы не смогли бы понять.
Временной барьер
Если мы попробуем вычислить вероятности в мультивселенной (в которой есть бесконечное число вселенных), мы вернемся к проблеме, озвученной выше: все может случиться со 100-процентной вероятностью. Чтобы обойти эту проблему, ученые просто берут участок Вселенной и рассчитывают вероятности для него. Это работает, но границы, которые они очерчивают, неизбежно отрезают участок от остального мира.
Поскольку законы физики не имеют смысла в бесконечной вселенной, единственный вывод, который можно сделать, это то, что существует физическая граница, предел, за который выйти нельзя. И если верить физикам, в следующие 3,7 миллиарда лет мы пересечем этот временной барьер, и для нас вселенная закончится. Хотя куда более вероятно то, что мы просто не можем понять и описать этот принцип с нашей физической терминологией.
Этого не будет (поскольку мы живем в мультивселенной)
Количество новых вселенных всегда будет большем, чем старых, поэтому в теории число вселенных увеличивается.
Вечная вселенная
Долгое время считалось, что Вселенная была, есть и всегда будет. Это одна из первых концепций, которые создали люди о природе Вселенной, однако в последнее время эта теория получила новый толчок, уже серьезно подкрепленный с точки зрения физики.
Так вот, не с сингулярности Большого Взрыва начался отсчет времени, время могло существовать и раньше (за бесконечность до этого), а сингулярность и результирующий взрыв могли стать следствием столкновения двух бран (структур пространства-времени более высокого уровня бытия). В этой модели Вселенная циклична и будет продолжать расширяться и сжиматься всегда.
Мы, кстати, можем выяснить это в ближайшие 20 лет — у нас есть спутник Планк, исследовавший космос в поисках паттернов микроволнового фона, которые подскажут нам что-нибудь о происхождении Вселенной. Это долгий процесс, но он предоставит нам знания о том, с чего началась наша Вселенная, а возможно подскажет, чем она закончится.
В космологии, Большое сжатие (англ. Big Crunch ) — один из возможных сценариев будущего Вселенной, в котором расширение Вселенной со временем меняется на сжатие и вселенная коллапсирует, в конце концов схлопываясь в сингулярность.
Обзор
Если Вселенная конечна в пространстве и скорость расширения не превышает скорость убегания, то совместное гравитационное притяжение всей её материи в конце концов остановит расширение Вселенной и заставит её сжиматься. Вследствие возрастания энтропии картина сжатия будет сильно отличаться от обращённого во времени расширения. В то время как ранняя Вселенная была очень однородной, сжимающаяся Вселенная будет разбиваться на отдельные изолированные группы. В конце концов, вся материя коллапсирует в чёрные дыры, которые затем будут срастаться, создавая в результате единую чёрную дыру —сингулярность Большого сжатия.
Последние экспериментальные свидетельства (а именно: наблюдение дальних сверхновых как объектов стандартной светимости (подробнее см. Шкала расстояний в астрономии), а также тщательное изучение реликтового излучения) приводят к выводу, что расширение Вселенной не замедляется гравитацией, а наоборот, ускоряется. Однако, вследствие неизвестной природы тёмной энергии всё-таки возможно, что когда-нибудь ускорение поменяет знак и вызовет сжатие [3] .
Пол Стейнхардт, один из создателей теории возникновения Вселенной в результате Большого взрыва, сейчас сам критикует ее. Он предлагает альтернативную модель — модель отскока, в которой Большой взрыв — не начало времени, а лишь последний из множества повторяющихся циклических процессов сжатия и расширения Вселенной. Подробнее об этой концепции рассказывает Quanta Magazine.
Общепринятая теория возникновения Вселенной звучит примерно так: около 14 миллиардов лет назад из ниоткуда материализовалась огромная масса энергии, всплеск которой в одно мгновение раздул Вселенную, как воздушный шар. В результате быстрого расширения кривизна разгладилась, а материя перемешалась, и сформировалась Вселенная в своем нынешнем виде — плоская и гладкая. Скопления частиц образовали галактики и звезды, но все они — лишь крошечные пятнышки на преимущественно однородном полотне космоса.
Эта теория, которая в учебниках обычно называется инфляционной моделью Вселенной , согласуется со всеми проводившимися до сих пор наблюдениями и пользуется доверием большинства космологов. Но не всех.
Пол Стейнхардт, один из авторов инфляционной модели, стал одним из главных ее критиков. Он отмечает, что, согласно этой модели, в большинстве областей пространства-времени расширение не прекратится никогда, поэтому неизбежно должна возникнуть мультивселенная с бесконечным количеством карманных вселенных, в одной из которых мы живем.
Стейнхардт и его коллеги приступили к разработке другого сценария возникновения нашей Вселенной, взяв за основу циклическую модель, согласно которой Вселенная проходит через последовательные стадии расширения и сжатия.
Их цель — доказать, что наша плоская и однородная Вселенная могла возникнуть и без взрыва.
Чтобы достичь своей цели, Стейнхардт и его коллеги объединились с учеными, занимающимися компьютерным моделированием. Они проанализировали, как меняется структура Вселенной при коллапсировании, и обнаружили, что модель сжатия работает лучше, чем модель расширения: как бы ни выглядела Вселенная до сжатия, коллапсирование сглаживает любые изначальные неровности.
Сужение горизонта
Последним плодом совместной работы Стейнхардта, Анны Ийас из Института гравитационной физики Общества Макса Планка и других ученых стала новая модель циклической Вселенной — экпиротическая модель , согласно которой Вселенная обновляется без коллапсирования.
Чтобы представить себе расширение и сжатие, можно вообразить Вселенную в виде шара.
Говоря об изменении размера Вселенной, как правило, упоминают лишь параметр масштабного фактора , тогда как второй параметр — радиус Хаббла (максимальное расстояние, на котором мы можем видеть объекты во Вселенной) — обходят вниманием. Общая теория относительности допускает изменение этих двух параметров независимо друг от друга, и, что самое главное, изменение любого из них приводит к плоской форме Вселенной.
Представьте, что вы сидите на воздушном шаре. Инфляционная Вселенная — это надувающийся шар. В ней пространство разглаживается и уплощается вследствие расширения. В циклической же Вселенной разглаживание происходит в период сжатия. На этом этапе шар незначительно сдувается, а область обзора сокращается очень сильно. Вы как будто смотрите через увеличительное стекло, которое становится всё более и более мощным. Радиус Хаббла уменьшается, поэтому окружающее пространство становится всё более однообразным.
По версии Стейнхардта и его коллег, Вселенная в течение примерно триллиона лет расширяется под влиянием некоего всепроникающего поля, под которым мы сегодня понимаем темную энергию. Когда это энергетическое поле становится разреженным, пространство постепенно начинает сжиматься. В течение миллиардов лет масштабный фактор уменьшается — частицы сближаются друг с другом, а радиус Хаббла сужается. Сжатие Вселенной перезаряжает энергетическое поле, которое затем нагревает пространство и испаряет его атомы. Происходит отскок — и начинается новый цикл.
В модели отскока микроскопический радиус Хаббла обеспечивает гладкость и плоскостность Вселенной. Инфляция раздувает многочисленные неровности, порождая мультивселенную, тогда как медленное сжатие устраняет их.
В результате получаем Вселенную без начала и конца — и никакой сингулярности, и никакой мультивселенной.
От любой Вселенной к нашей
Один из самых трудных моментов как в инфляционной модели, так и в модели отскока — это доказать, что их энергетические поля могут создать правильную структуру Вселенной.
Ийас и Стейнхардт критикуют инфляционную модель за то, что она работает только при определенных условиях. Они тщательно изучили все сценарии, которые можно рассчитать на бумаге.
А недавно, используя компьютерные симуляции (Ийас и Стейнхардт описали их в двух препринтах, опубликованных в июне), команда подвергла стресс-тесту свою модель медленного сжатия с группой маленьких вселенных, которую нельзя было испытать никаким другим способом.
Адаптировав под свои цели код, разработанный физиком-теоретиком из Принстонского университета Франсом Преториусом, команда исследовала искривленные и комковатые поля; поля, движущиеся в неправильном направлении; и даже поля, разные части которых движутся в противоположных направлениях.
Почти по всех случаях в результате сжатия образовывалась такая же скучная Вселенная, как наша.
Отношение к модели Ийас и Стейнхардта остается неоднозначным. Большинство космологов сходятся во мнении, что инфляционная модель по-прежнему не опровергнута.
Команда еще не описала все детали циклической Вселенной без взрыва и сжатия, не говоря уже о том, чтобы доказать, что мы в ней живем. Но Стейнхардт убежден, что в скором времени его модель станет жизнеспособной альтернативой мультивселенной.
Читайте также: