Если Вселенная закончит существование большим взрывом, как изменится все пространство?

2019.03.10 | 14:00

AMP logoAMP-версия

Окончательная судьба Вселенной - один из самых больших экзистенциальных вопросов, которые мы можем задать. Учитывая, что наша Вселенная существует уже миллиарды лет с момента Большого взрыва, она заполнена звездами и галактиками, разбросанными по бескрайним просторам космоса, и кажется, что она расширяется и охлаждается во всех направлениях, и, похоже, существуют удивительные возможности для того, что могло бы возникать в будущем. Возможно, мы расширимся навсегда; возможно, мы перестанем расширяться и вспоминать; возможно расширение ускорится, разрывая нас на части. Одна возможная судьба - Большой Взрыв, и это интересует нашего сторонника Патреона Джима Нэнса, который спрашивает: "Когда вы описываете Большой Взрыв, вы говорите о гонке между гравитацией и расширением пространства. Мне не ясно, что если гравитация победит в этой гонке, прекратит ли пространство расширяться или просто перестанет расширяться материя в космосе. Я хотел бы услышать ваше объяснение этого".

 

Это сложный вопрос, но физика, которую мы знаем сегодня, позволяет нам принять вызов и дать окончательный ответ.

 

Когда мы смотрим на далекие галактики за пределами нашей собственной локальной группы, мы обнаруживаем, что свет от них красный и смещен. Обычно самым важным свойством света является его длина волны: расстояние между последовательными пиками или впадинами в колеблющихся электромагнитных полях, которые определяют световую волну. Длина волны определяет частоту, цвет, энергию и импульс света.

 

Всякий раз, когда у нас возникает атомный переход - когда электроны прыгают с одного энергетического уровня на другой - он сопровождается либо поглощением, либо излучением фотона. Поскольку эти энергетические уровни имеют конкретные значения, это означает, что фотоны, которые поглощаются или испускаются, будут иметь определенные длины волн, связанные с ними. Когда вы видите серию линий поглощения или излучения, это позволяет вам определить, какие элементы присутствуют и в каком количестве.

 

Спектр видимого света Солнца, который помогает нам понять не только его температуру и ионизацию, но и количество присутствующих элементов. Длинные, толстые линии - это водород и гелий, но каждая другая линия - от тяжелого элемента, который должен был быть создан в звезде предыдущего поколения, а не от горячего Большого взрыва. Все эти элементы имеют конкретные сигнатуры, соответствующие явным длинам волн.

 

Измерение различных длин волн света является частью астрономической науки о спектроскопии. Для любой звезды или галактики, на которую мы смотрим, мы можем обнаружить наличие - если наше оборудование и наблюдения достаточно хороши - различных спектральных линий, которые соответствуют присутствию или отсутствию определенных атомов, ионов и молекул.

 

Но когда мы смотрим на галактики, которые находятся за пределами нашей собственной, мы обнаруживаем, что эти спектральные сигнатуры линий поглощения и излучения систематически смещаются. Для каждой отдельной галактики, которую мы измеряем, существует уникальный сдвиг, который одинаково влияет на все линии. Очень небольшое количество галактик, на которые мы смотрим, кажется смещенными в синеву: где свет смещается в сторону более высоких энергий и более коротких длин волн. Но почти все они смещены в красное смещение и более сильно смещены по мере удаления.

 

Впервые отмеченный Весто Слайфером, чем дальше в среднем галактика, тем быстрее она удаляется от нас. В течение многих лет это не поддавалось объяснению, пока наблюдения Хаббла не позволили нам соединить все воедино: Вселенная расширялась.

 

Явление галактических красных смещений - это наблюдательный факт, который датируется более чем столетием: к работе Весто Слайфера. В 1920-х годах работа Эдвина Хаббла позволила нам добавить и галактические расстояния, причем отношение красного смещения к расстоянию, открытое вскоре после этого Хабблом и Жоржем Леметром. Однако причина этого была не сразу ясна, так как было два возможных объяснения.

 

Красные смещения и синие смещения могут быть вызваны отдельными движениями галактик, поскольку галактики, движущиеся к нам, будут казаться смещенными в синеву, а галактики, удаляющиеся от нас, будут смещены в красное смещение.

 

Красные смещения могут быть вызваны расширением ткани самого пространства, когда длина волны света от более далеких галактик растягивается тканью расширяющейся Вселенной.

 

Оба эти объяснения можно было бы, по крайней мере на ранних стадиях, считать соответствующими данным.

 

В действительности оба эффекта существуют. Галактики действительно движутся относительно друг друга, поскольку гравитационные силы материи во Вселенной толкают и притягивают все вокруг. Но сама ткань пространства-времени тоже не может оставаться постоянной.

 

Это не просто то, что галактики удаляются от нас, что вызывает красное смещение, а скорее то, что пространство между нами и каждой галактикой смещает свет на пути от этой далекой точки к нашим глазам. Это влияет на все виды излучения, включая остатки от Большого взрыва. 

 

В общей теории относительности пространство-время является динамической сущностью. Когда у вас есть такая Вселенная, как наша, где материя и энергия относительно равномерно распределены в самых больших масштабах, любое релятивистское решение, которое приводит к созданию статической Вселенной, является в основном неустойчивым. Вселенная должна расширяться или сжиматься, поскольку она не может оставаться в неизменном состоянии. Мы не можем обязательно знать, что он делает, исходя только из первых принципов; нам нужны измерения, чтобы научить нас, что происходит.

 

К счастью, мы сделали эти измерения, и заключение неизбежно.

 

Соотношение красного смещения для далеких галактик. Точки, которые не попадают точно на линию, обусловлены небольшим несоответствием разницам в пекулярных скоростях, которые дают лишь небольшие отклонения от общего наблюдаемого расширения. Исходные данные Эдвина Хаббла, впервые использовавшиеся для демонстрации расширения Вселенной, все помещались в маленькую красную рамку в левом нижнем углу. 

 

Ткань нашей Вселенной в настоящее время расширяется. Это не означает, что оно всегда будет расширяться, и это также не означает, что нет галактических движений, наложенных на расширяющуюся ткань пространства. Вы заметите, выше, что очень немногие из галактик, которые мы наблюдаем, на самом деле попадают именно на линию наилучшего соответствия для отношения красное смещение-расстояние.

 

Эта линия соответствует общему расширению пространства, но фактические точки данных могут располагаться с любой стороны линии. Это связано с тем, что галактики движутся относительно друг друга в расширяющейся Вселенной, в том числе и в нашем Млечном Пути, который движется со скоростью около 370 км / с относительно расширения Хаббла во Вселенной.

 

Однако, когда мы смотрим на все большие и большие расстояния (и красные смещения), мы можем абсолютно исключить случай, когда отдельные движения ответственны за 100% наблюдаемых красных смещений. Относительность предлагает различные предсказания на больших расстояниях для расширяющейся Вселенной по сравнению с быстрым движением от нас, и данные согласуются с расширением, а не с движениями большой величины.

 

Таким образом, это разрешает любые ваши сомнения относительно того, расширяется ли ткань самого пространства: так оно и есть. Причина, по которой галактики, похоже, удаляются от нас - и друг от друга - в том, что Вселенная расширяется. Однако расширение не единственно возможное решение. Если мы посмотрим на уравнения, управляющие расширением Вселенной, мы найдем нечто интересное: они не дают нам значения для скорости расширения. Скорее, они дают нам значение для коэффициента расширения в квадрате.

 

Моя фотография в гиперволке Американского астрономического общества в 2017 году вместе с первым уравнением Фридмана справа. Первый член в уравнении Фридмана детализирует квадрат скорости расширения Хаббла, который определяет эволюцию пространства-времени. Остальные термины включают все различные формы материи и энергии, а также пространственную кривизну, которая определяет, как Вселенная будет развиваться в будущем. Это было названо самым важным уравнением во всех космологии, и был получено Фридманом , по существу ее современной форме еще в 1922 году.

 

Возможно, вы не увидите большой разницы изначально. Если бы я сказал вам, что квадрат коэффициента расширения равен 4, вы просто возьмете квадратный корень и скажете мне, что коэффициент расширения равен 2.

 

И тогда я спросил бы вас, были ли вы уверены.

 

"Он пытается обмануть меня?" Возможно, но дело не в том, чтобы обмануть тебя. Квадратный корень из 4  может быть 2, но это также может быть -2. Когда мы решаем наши уравнения для скорости расширения, мы можем столкнуться с расширяющейся Вселенной. Но мы также можем столкнуться с отрицательно расширяющейся Вселенной, которая соответствует сокращающейся Вселенной. Несмотря на то, что мы знаем, что сегодня оно расширяется, потому что мы его измеряем, ничто не мешает Вселенной достичь максимального размера, прекратить расширение и развернуться, чтобы сузиться.

 

В нашей наблюдаемой Вселенной космическое ускорение вызвано темным типом энергии, который до сих пор не объяснен. Все эти вселенные управляются уравнениями Фридмана, которые связывают расширение Вселенной с различными типами материи и энергии, присутствующими в ней.

 

Да, когда мы смотрим на далекую Вселенную, в настоящее время мы видим, что вещи продолжают расширяться. Если Вселенная закончится Большим Хрустом, она еще не достигла своей точки поворота.

 

Маловероятно, что нас ждет Большой Хруст. Когда мы измеряем то, как скорость расширения изменилась за всю нашу космическую историю, это дает все признаки того, что скорость расширения не упадет до нуля и не изменится сама. То, как скорость расширения изменяется со временем, определяется общим количеством и типами вещества и энергии, присутствующими в нем. Поскольку в нашей Вселенной слишком мало материи, слишком мало радиации и слишком много темной энергии, похоже, что мы будем продолжать расширяться вечно.

 

Если, конечно, темная энергия не является динамичной и способной изменяться со временем.

 

Дальние судьбы Вселенной предлагают множество возможностей, но если темная энергия действительно постоянна, как показывают данные, она будет продолжать следовать красной кривой. Если это не так, однако, Большой Хруст все еще может быть в игре. 

 

Если плотность энергии темной энергии изменяется с течением времени в каком-либо определенном количестве мод, это может привести к тому, что наша Вселенная закончится Большим Хрустом. Мы часто воспринимаем это как данность, что наша Вселенная закончится в Большом Замораживании из-за видимого ускорения отдаленных галактик от нас, но есть еще пять жизнеспособных, возможных судеб для нашей Вселенной . Как я уже писал ранее, темная энергия может ослабевать и разлагаться по мере дальнейшего расширения Вселенной:

 

Если он затухает до нуля, это может привести к одной из первоначальных возможностей, изложенных выше: большая заморозка. Вселенная все еще будет расширяться, но без достаточного количества материи и других видов энергии, чтобы ее можно было вновь пережить.

 

Однако, если он распадается и становится отрицательным, это может привести к другой возможности: Большому Хрусту. Вселенная могла быть заполнена энергией, присущей космосу, которая внезапно переключала знаки и вызывала переползание пространства. Хотя временные рамки для этих изменений ограничены и могут быть намного дольше, чем время, прошедшее после Большого взрыва, оно все же может произойти.

 

Когда астрономы впервые поняли, что Вселенная ускоряется, общепринятым мнением было то, что она будет расширяться вечно. Однако до тех пор, пока мы лучше не поймем природу темной энергии, возможны другие сценарии судьбы Вселенной. Эта диаграмма обрисовывает в общих чертах эти возможные судьбы. 

 

Но связь между всей материей и энергией во Вселенной, с одной стороны, и расширением структуры самого пространства, с другой, нельзя отрицать. Мы живем во Вселенной, которая в самых больших масштабах изотропна, однородна и подчиняется общей теории относительности. В очень общем смысле это означает, что существует связь между тем, как расширяется Вселенная, и тем, что в ней присутствует.

 

Если вся материя во Вселенной перестает расширяться, переворачивается и начинает переворачиваться к нам, то для этого необходимо, чтобы ткань пространства тоже перевернулась. Там действительно происходит космическая гонка: между расширением Вселенной и силой гравитации. Прямо сейчас, похоже, что расширение собирается победить, но если темная энергия динамична, это ставит результат под сомнение. Если гравитация действительно побеждает, а Большой Хруст - наша конечная судьба, кто-то, давным-давно, может дожить до того момента, когда весь Шебанг превратится в единственное состояние. Мы можем только представить, к чему это может привести.

Оцените материал
(0 голосов)

Оставить комментарий