Когда все закончится — 5 сценариев конца Вселенной

Все должно рано или поздно закончиться, но включает ли это «все» саму Вселенную? И если да, то как? И когда? Может быть трудно представить катастрофу, достаточно большую, чтобы затронуть все существование, но физики ожидают, что все когда-то закончится, и это может произойти раньше, чем мы думаем. Вот некоторые из ведущих гипотез о том, как и когда Вселенная может прекратить свое существование.

Чтобы понять, как вселенная может прийти к своему концу, физики обращаются к истокам. Около 13,8 миллиардов лет назад пространство и время вырвались из невероятно плотной точки сингулярности, и это событие стало известно как Большой Взрыв. С этой точки Вселенная быстро расширялась, материя охлаждалась и конденсировалась в галактики и в содержащиеся в них звезды и планеты.

Но Вселенная все еще расширяется, и делает это с ускорением благодаря таинственной силе, которую ученые называют «темной энергией».

Как следует из этого названия, мы очень мало знаем о том, как работает эта сила или почему она отталкивает все от всего остального, но она имеет довольно серьезные последствия для окончательной судьбы Вселенной. Как это происходит, зависит от того, какие численные значения применяются в моделях.

Большое замерзание

Согласно лучшим моделям эволюции Вселенной, наиболее вероятным сценарием является то, что называется Большое замерзание. Если темная энергия будет вечно ускорять расширение Вселенной — а расчеты предполагают, что скорее всего так оно и будет, — то космос ждет медленная смерть, которая растянется на гугол лет. Это непостижимое для нас число — это единица, за которой следуют 100 нулей (1¹⁰⁰).

Если бы вы могли просмотреть участок неба в ускоренной перемотке на миллиарды лет, звезды начали бы становиться красными, а затем полностью исчезли бы. Это потому, что расширяющаяся Вселенная будет растягивать длину волны их света все дальше и дальше к инфракрасному концу спектра, прежде чем сделать их полностью невидимыми для глаза.

Конечно, даже если бы мы их не видели, далекие звезды и галактики все равно существовали бы — по крайней мере, в течение нескольких триллионов лет. Но через некоторое время расширение будет разбавлять пыль и газ, плавающие в космическом пространстве, до тех пор, пока в какой-либо одной области их не станет достаточно, чтобы питать рождение новых звезд. Поскольку звезды больше не рождаются, они в конечном итоге становятся исчезающими, а затем вымершими видами, поскольку последние из них изчезнут.

Так начинается «Эра вырождения» Вселенной примерно через 100 триллионов лет. К этому моменту существуют только белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, но и они исчезнут: белые карлики и некоторые нейтронные звезды медленно остынут, превратившись в невидимых инертных черных карликов, а другие нейтронные звезды превратятся в черные дыры.

К 10-му тредециллиону лет (единица, за которой следуют 43 нуля, 1⁴³) не останется ничего, кроме черных дыр. И даже они не вечны — как предсказывал Стивен Хокинг, черные дыры медленно испускают излучение, пока в конце концов не испарятся.

Примерно через 1 гугол лет, когда исчезнут и все черные дыры, Вселенная вступит в свой последний век — Темную эру. Свет и материя — это уже очень далекие воспоминания, а оставшиеся свободные частицы будут жить самым одиноким из возможных существований, редко имея шанс промчаться в пределах светового года друг от друга, не говоря уже о взаимодействии друг с другом. И больше ничего никогда не случится, навеки веков.

Большой разрыв

Похожий сценарий приводит к гораздо более драматичной смерти, причем гораздо раньше. В этой модели темная энергия не просто ускоряет расширение Вселенной в постоянном темпе, оно ускоряется экспоненциально, в конечном итоге разрывая на части саму ткань пространства — финал, называемый Большим разрывом.

Есть физический предел расстояния в космосе, которое мы могли бы когда-либо увидеть, даже если бы у нас был самый мощный телескоп. Этот предел продиктован скоростью света — в определенный момент объекты находятся слишком далеко, чтобы их свет успел достичь Земли. Область, которую мы видим, называется наблюдаемой Вселенной.

В модели Большого разрыва экспоненциально ускоряющееся расширение выталкивает все больше и больше объектов за границу этой области, а это означает, что наблюдаемая Вселенная постоянно сжимается.

Любые два объекта, которые находятся дальше друг от друга, чем позволяет эта граница, больше не могут влиять друг на друга посредством фундаментальных сил, таких как гравитация или электромагнетизм.

По мере того, как это расстояние будет уменьшаться, крупномасштабные структуры Вселенной начнут разрушаться — по мере уменьшения влияния гравитации она не сможет удерживать скопления галактик вместе, и они начнут растворяться.

В конце концов то же самое произойдет и с самими галактиками, и звезды будут дрейфовать сами по себе. Позже космический горизонт событий сожмется за пределы масштаба отдельной планетной системы, а это означает, что планеты больше не будут привязаны к своим орбитам вокруг звезд.

В последние несколько минут существования этот горизонт событий сожмется до размера молекул, разрушив силы, которые удерживают материю вместе, уничтожив звезды, планеты и все, что находится на них. И, наконец, сами эти свободные атомы будут разорваны на части частица за частицей. Последняя жертва — сама ткань пространства-времени.

Ученые, которые предлагают эту модель, предсказывают, что, если это произойдет, то Вселенной останется жить около 22 миллиардов лет. К счастью, другие ученые считают, что этот сценарий включает нереалистичные параметры, поэтому вероятность его реализации меньше, чем некоторых других.

Большое сжатие

Возможно, Вселенная закончится совершенно противоположным образом — вместо того, чтобы навсегда превратиться в небытие, она изменит курс развития и схлопнется сама в себя в так называемом Большом сжатии.

В космическом перетягивании каната между гравитацией, пытающейся сблизить все воедино, и темной энергией, пытающейся раздвинуть все на части, ученые обычно делают ставки в пользу темной энергии, что в конечном итоге приводит к финалу «Большого замерзания» или «Большого разрыва». Но полностью исключить гравитацию нельзя.

Если плотность материи во Вселенной достаточно высока, ее гравитация может преодолеть расширение и вместо этого вызвать фазу сжатия. Все начнет двигаться ко всему остальному, когда Вселенная снова сожмется. Как и в нашей текущей фазе расширения, никто из живущих в то время не будет затронут напрямую — по крайней мере, до самого конца.

Скопления галактик начнут сливаться, затем сами галактики, и, наконец, отдельные звезды будут сталкиваться. Но настоящая беда начинается с космического микроволнового фона — фонового излучения Вселенной, оставшегося после Большого взрыва.

По мере того как его фотоны смещаются в сторону синего конца спектра, это излучение нагревается, пока в конце концов не станет горячее звезд. Это означает, что звезды больше не смогут излучать свое тепло наружу и будут становиться все горячее и горячее, пока не испарятся.

В последние несколько минут температура Вселенной станет настолько высокой, что сами атомы распадутся.

В конце концов, все содержимое Вселенной будет сжато в невероятно маленькое пространство — сингулярность, подобную обратному Большому Взрыву.

Разные ученые дают разные оценки того, когда может начаться эта фаза сжатия. Это может быть еще через миллиарды лет. Или, согласно недавнему исследованию, это может произойти довольно скоро, с космической точки зрения, поскольку вселенная изменит курс развития примерно через 100 миллионов лет. В этой модели фаза сжатия займет около миллиарда лет, прежде чем все вернется к сингулярности.

Большой отскок

Но это может быть не конец. Вариант вышеупомянутой гипотезы предполагает, что за несколько мгновений до того, как Вселенная схлопнется в бесконечно плотную сингулярность, она будет спасена квантовыми процессами и снова изменит курс, начав новый период расширения, который по сути является еще одним Большим взрывом для совершенно новой Вселенной. Эта модель известна как Большой отскок.

Сторонники этой идеи говорят, что в мире квантовой физики есть некий прецедент — в конце концов, когда Вселенная сжимается до сингулярности, она становится настолько маленькой, что квантовые правила берут верх над классической физикой, с которой мы хорошо знакомы.

В этот момент может произойти квантовое туннелирование, когда частицы могут преодолевать барьеры, через которые, по общему мнению, у них не должно быть достаточно энергии, чтобы пройти.

Это приводит к таким процессам, как радиоактивный распад, и, согласно недавнему исследованию, также может позволить сжимающейся Вселенной «избежать» участи полного коллапса и снова начать расширяться.

Интересно, что поддержка Большого отскока исходит из другой теории, называемой петлевой квантовой гравитацией, которая была создана как способ объяснить гравитацию с точки зрения квантовой механики.

Забавный вывод из гипотезы Большого отскока состоит в том, что мы можем оказаться в центре бесконечной цепочки создания и разрушения вселенных.

Распад ложного вакуума

Последний сценарий конца света в этом списке, пожалуй, самый тревожный, потому что он уже может обрушиться на нас, и мы не узнаем, пока он не произойдет. Это называется ложным распадом вакуума, или, Пузырь распада.

Закон физики гласит, что система естественным образом пытается стать стабильной. Для этого она переходит из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией, пока не стабилизируется в самом низком из возможных энергетических состояний. Для квантовых полей это известно как вакуумное состояние.

Считается, что все известные квантовые поля находятся в стабильных вакуумных состояниях, кроме одного: поля Хиггса. Кажется, что оно находится в состоянии ложного вакуума, а это означает, что в настоящее время оно кажется стабильным, но, по прогнозам, не находится в состоянии с самой низкой энергией.

Но это может измениться в один миг без предупреждения. Буквально в любую секунду поле Хиггса может внезапно перейти в более низкое энергетическое состояние, уничтожив при этом огромную часть (если не всю) Вселенной.

Все, что потребуется, — это чтобы одна крошечная точка в пространстве коллапсировала в это более низкое энергетическое состояние, которое отправило бы пузырь распада вакуума, расширяющийся наружу со скоростью света. Двигаясь так быстро, мы даже не смогли бы его увидеть, пока стена этого пузыря не врезалась в Землю.

Что произойдет, когда мы окажемся внутри этого пузыря? Никто не уверен, но это, вероятно, перепишет законы природы. Есть шанс, что жизнь станет возможной при новой физике, но вселенная может быть настолько совершенно другой, что мы даже не можем себе этого представить. В худшем случае вся материя будет уничтожена.

Если есть хорошие новости, так это то, что в этой идее много неопределенности. Некоторые модели предсказывают, что распад ложного вакуума вряд ли произойдет в ближайшие миллиарды лет или вообще не произойдет. Другие предполагают, что это уже должно было произойти к настоящему времени, указывая на то, что наша нынешняя Вселенная на самом деле может быть странной новой физикой внутри пузыря.

Поле Хиггса также может быть более стабильным, чем мы предполагаем. В конце концов, это было подтверждено относительно недавно открытием бозона Хиггса, так что еще многое предстоит узнать в ходе дальнейших исследований.

Или, может быть, ложный вакуумный пузырь только что поглотил Солнце и будет на Земле через восемь минут.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в июле 2022 года.