Возможность сценария эволюции вселенной

Возможные сценарии эволюции Вселенной. 

Наука выделяет четыре основных пути, на которых Вселенная может встретить свою судьбу:

1. Большое Замерзание.
2. Большой Хруст.
3. Большое Изменение.
4. Большой Разрыв.

Первый намек на возможный конец Вселенной приходит к нам из термодинамики, науке о тепле. Термодинамика — это такой проповедник физики с дикими глазами, который держит картонный транспарант с простым предупреждением: «Тепловая смерть грядет».

Несмотря на свое название, тепловая смерть Вселенной не представляется огненным адом. Напротив, это смерть всех уровней тепла. Звучит не очень страшно, но тепловая смерть — это хуже, чем запечься до корочки. Это потому, что почти все в повседневной жизни требует определенных разниц температур, прямо или косвенно. Когда Вселенная достигнет тепловой смерти, везде будет одна температура. Это означает, что ничего интересного больше никогда не произойдет. Все звезды умрут, вся материя распадется, все превратится в редкий бульон из частиц и излучения. Даже энергия этого бульона будет уменьшаться с течением времени в результате расширения Вселенной, оставляя все с температурой едва ли выше абсолютного нуля.

В этом процессе Большого Замерзания Вселенная станет равномерно холодной, мертвой и пустой.

После разработки теории термодинамики в начале 1800–х годов, тепловая смерть выглядит как единственным возможным путем конца Вселенной. Но через 100 лет общая теория относительности Эйнштейна провозгласила, что у Вселенной может быть куда более интересная судьба.

Общая теория относительности говорит, что материя и энергия искривляют пространство и время. Это отношение между пространством–временем и материей–энергии — между сценой и актерами на ней — распространяется на всю Вселенную. Все, что есть во Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяет конечную судьбу самой Вселенной.

Теория предсказывает, что Вселенная в целом должна либо расширяться, либо сжиматься. Она не может оставаться в прежнем размере. Эйнштейн понял это в 1917 году и так не хотел это признавать, что отказался от собственной теории.

Тогда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Эйнштейн изменил свое мнение, назвав свою предыдущую настойчивость относительно статической Вселенной «величайшей ошибкой» своей карьеры.

Если Вселенная расширяется, когда–то она должна была быть меньше, чем сейчас. Понимание этого привело к появлению теории Большого Взрыва: идеи о том, что Вселенная началась с невероятно малой точки и быстро расширилась. Мы можем увидеть это по «послесвечению» Большого Взрыва — в качестве космического микроволнового фона — постоянного потока радиоволн, идущих со всех направлений в небе.

Получается, судьба Вселенной зависит от очень простого вопроса: будет ли Вселенная расширяться дальше и как быстро?

Для Вселенной, содержащей обычную «начинку» — материю и свет, — ответ на вопрос зависит от количества этой начинки. Больше начинки — значит, больше гравитации, которая стягивает все назад и замедляет расширение. Пока количество начинки не превосходит критический порог, Вселенная будет расширяться вечно и в конечном итоге умрет тепловой смертью.

Но если начинки будет слишком много, расширение Вселенной замедлится и остановится. Тогда Вселенная начнет сжиматься. Сокращающаяся Вселенная будет становиться все меньше и меньше, плотнее и горячее, пока все не закончится в красочном компактном аду, противоположном Большому Взрыву и известном как Большое Сжатие.

На протяжении большей части 20 века астрофизики не были уверены, какой из этих сценариев возымеет действие. Большое Замерзание или Большое Сжатие? Лед или огонь? Они пытались провести космическую перепись, подсчитав количество начинки в нашей Вселенной. Оказалось, что мы до странного близко находимся к критическому порогу, и наша судьба остается под вопросом.

В конце 20 века все изменилось. В 1998 году две соперничающих группы астрофизиков сделали невероятное заявление: расширение вселенной ускоряется.

Обычная материя и энергия не могли бы повлиять на Вселенную таким образом. Это стало первым свидетельством существования нового фундаментального вида энергии, «темной энергии», поведение которой совершенно загадочно для нас.

Темная энергия расталкивает Вселенную в стороны. Мы пока не понимаем, что это такое, но порядка 70% энергии Вселенной приходится на темную энергию, и это число растет день ото дня. Существование темной энергии означает, что количество начинки во Вселенной не определяет ее конечную судьбу. Космосом управляет темная энергия, она ускоряет расширение Вселенной. Следовательно, сценарий Большого Сжатия маловероятен.
Но это не означает, что и Большое Замерзание неизбежно. Есть и другие возможные исходы.

Один из них произошел не в процессе изучения космоса, а из мира субатомных частиц. Это, пожалуй, наиболее странная из возможных судеб Вселенной: что–то фантастическое и при этом вероятное.

В классическом научно–фантастическом романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», «лед–девять» представляет собой новую форму водяного льда с интересными свойствами: он образуется при температуре 46 градусов, а не 0. Если кристалл льда–девять уронить в стакан с водой, вода вокруг кристалла примет его форму, так как его энергия ниже, чем у жидкой воды. Новые кристаллы льда–девять будут проделывать то же самое с водой вокруг себя, и в мгновение ока цепная реакция превратит всю воду в стакане — или в океанах Земли — в твердый лед–девять.

То же самое может случиться в реальной жизни с нормальным льдом и нормальной водой. Если вы наберете в очень чистый стакан очень чистой воды и охладите ее ниже нуля градусов, вода станет переохлажденной: она будет оставаться жидкой ниже естественной точки замерзания. В воде нет никаких примесей, а в стакане нет неровностей, чтобы начал образовываться лед. Но если вы уроните кристалл льда в воду, вода быстро замерзнет, как лед–девять.

Лед–девять и переохлажденная вода могут показаться мало связанными с судьбой Вселенной. Но что–то похожее происходит с самим пространством. Квантовая физика гласит, что даже в абсолютном вакууме присутствует небольшое количество энергии. Но тогда должен существовать другой тип вакуума, содержащий меньше энергии. Если это так, тогда вся Вселенная похожа на стакан с переохлажденной водой. И будет оставаться таковой, пока не покажется «пузырь» вакуума с низкой энергией.

К счастью, мы не знаем таких пузырей. К несчастью, квантовая физика утверждает, что если низкоэнергетический вакуум возможен, пузырь с таким вакуумом неизбежно появится где–то во Вселенной. Когда это произойдет, то подобно истории со льдом–девять новый вакуум «преобразует» старый вакуум вокруг себя. Пузырь будет расти со скоростью света, и мы никогда не увидим его приближения. Внутри пузыря все будет совершенно другим и явно не гостеприимным. Свойства фундаментальных частиц вроде электронов и кварков могут быть совершенно другими, переписывающими правила химии и, возможно, препятствующими образованию атомов. Люди, планеты и даже сами звезды могут быть уничтожены в процессе этого Большого Изменения. В работе 1980 года физики Сидни Коулман и Франк де Люччия назвали его «глобальной экологической катастрофой».

После Большого Изменения и темная энергия будет вести себя по–другому. Вместо того чтобы подталкивать расширение Вселенной, темная энергия может внезапно свернуть Вселенную саму в себя, заставив ее коллапсировать в Большом Сжатии.
Есть и четвертая возможность, и опять темная энергия занимает центральное место. Эта идея очень спорная и невероятная, но не стоит сбрасывать ее со счетов. Темная энергия может быть намного мощнее, чем мы думаем, и сама по себе привести Вселенную к концу без всяких Больших Изменений, Замерзаний и Сжатий.

У темной энергии есть своеобразное свойство. Когда Вселенная расширяется, ее плотность остается постоянной. Это означает, что со временем она разрастается, чтобы идти в ногу с увеличением объема Вселенной. Это необычно, хотя и не нарушает законы физики.

Тем не менее все может быть намного страннее. Что, если плотность темной энергии увеличивается по мере расширения Вселенной? Точнее, что, если количество темной энергии во Вселенной увеличивается быстрее, чем расширяется сама Вселенная?

Эту идею выдвинул Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере, Нью–Гемпшир. Он назвал это «фантомной темной энергией». И она приводит нас к невероятно странной судьбе Вселенной.

Если фантомная темная энергия существует, тогда нас ждет темная сторона силы, выражаясь языком «Звездных войн». Сейчас плотность темной энергии чрезвычайно низка, намного ниже плотности материи на Земле или даже плотности галактики Млечный Путь, которая намного менее плотная, чем Земля. Однако с течением времени плотность фантомной темной энергии может нарастать и разрывать Вселенную на части. В работе 2003 года Колдуэлл и его коллеги представили сценарий под названием «космический конец света». Как только фантомная темная энергия становится более плотной, чем конкретный объект, этот объект разрывается в клочья.

Сначала фантомная темная энергия разорвет Млечный Путь, отправив его звезды в полет. Затем разорвется Солнечная система, поскольку притяжение темной энергии станет мощнее, чем притяжение Солнца относительно Земли. Наконец, за несколько минут Земля просто взорвется. Сами атомы начнут распадаться, и уже через секунду Вселенная будет разорвана. Колдуэлл называет это Большим Разрывом. Большой Разрыв, по признанию самого Колдуэлла, «весьма диковинный» сценарий.

Фантомная темная энергия бросает вызов фундаментальным идеям Вселенной, вроде допущения о том, что материя и энергия не могут двигаться быстрее скорости света. Это хорошие аргументы против Большого Разрыва. Наблюдения за расширением Вселенной, а также эксперименты с физикой частиц показывают, что в качестве конца света более вероятно Большое Замерзание, за которым последует Большое Изменение, а затем и Большое Сжатие.

Но это довольно мрачный портрет будущего — века холодной пустоты, которые ждут вакуумного распада и финального взрыва, переходящего в небытие. Есть ли какой–нибудь другой вариант? Или мы обречены?

Очевидно, конкретно у нас нет причин переживать о конце Вселенной. Все эти события произойдут через триллионы лет в будущем, за исключением разве что Большого Изменения, так что пока все идет по плану. Также нет причин беспокоиться за человечество. Если не случится иное, генетический разрыв изменит наших потомков до неузнаваемости задолго до этого. Однако смогут ли разумные существа любого вида, люди или нет, выжить в принципе?

Физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью–Джерси, рассмотрел этот вопрос в классической работе 1979 года. В то время он пришел к выводу, что жизнь сможет изменить себя, чтобы пережить Большое Замерзание, которое, как считал физик, будет менее проблемным, чем ад Большого Сжатия. Но в наши дни он менее оптимистичен, благодаря открытию темной энергии.

«Если Вселенная ускоряется, это плохие новости, — говорит Дайсон. Ускоренное расширение означает, что мы в конечном итоге потеряем контакт со всем, кроме горстки галактик, что резко ограничит количество доступной нам энергии. — В долгосрочной перспективе такая ситуация будет весьма печальной».

Однако положение вещей может измениться. «Мы на самом деле не знаем, будет ли расширение продолжаться и почему оно ускоряется, — говорит Дайсон. — Оптимистичный взгляд на вещи состоит в том, что ускорение будет замедляться по мере расширения Вселенной. Если это произойдет, будущее будет более благоприятным».

Но что, если расширение не будет замедляться или станет известно, что грядет Большое Изменение? Некоторые физики предлагают решение, безумное в принципе. Чтобы избежать конца Вселенной, мы должны построить собственную Вселенную в лаборатории и удрать в нее.

Один из физиков, работавших над этой идее, это небезызвестный Алан Гут из Массачусетского технологического института в Кембридже; он известен своими работами на тему юной Вселенной.
«Не могу сказать, что законы физики допускают возможность такого, — говорит Гут. — Если это возможно, потребуются технологии, выходящие за пределы всего, что мы можем представить. Это потребует гигантского количества энергии, которую еще нужно будет добыть и удержать».

Первый шаг, по мнению Гута, заключается в создании невероятной плотной формы материи — такой плотной, что она будет на грани коллапса в черную дыру. Если сделать это правильно, а затем быстро убрать материю за пределами этого сгустка, можно получить регион пространства, который начнет быстро расширяться.

По сути, вы провоцируете скачок создания совершенно новой Вселенной. По мере расширения области пространства, граница будет сокращаться, создавая пузырь искривленного пространства внутри чего–то большего. Фанатам «Доктора Кто» это может показаться знакомым, и по словам Гута, TARDIS это довольно точная аналогия того, о чем идет речь. В конце концов, «снаружи» сожмется до нуля, и новорожденная Вселенная начнет собственное существование, независимое от судьбы предыдущей Вселенной. Очевидно, как эта схема сработает на самом деле, совершенно непонятно. Мы даже не знаем, возможно это или нет.

Впрочем, у Гута есть другой источник надежды на лучшую судьбу для нашего мира — проблеск надежды. Гут первым предположил, что в самой юности Вселенная расширилась чрезвычайно быстро за долю секунды, эта идея известна как «инфляция». Многие космологи считают, что инфляция является самым точным описанием расширения юной Вселенной, и Гут предлагает создать новую Вселенную, опираясь именно на этот процесс быстрого расширения.

Инфляция имеет интригующие последствия для конечной судьбы Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная — это малая часть мультивселенной, множества карманных вселенных, которые плавают вокруг.

«В таком случае, даже если мы убедимся, что наша отдельная Вселенная умрет в процессе замерзания, мультивселенная будет жить вечно, и новая жизнь будет рождаться в каждой отдельной карманной Вселенной, — говорит Гут. — Мультивселенная воистину бесконечная, а в бесконечном будущем отдельные Вселенные могут жить и умирать сколько им вздумается».

В общем, ничего хорошего нас не ждет.

Источник Hi-news

Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.

Что мы знаем о Вселенной?

Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии наблюдаемую область Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.

Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.

В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.

Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.

Космологические эпохи Вселенной

В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:

1. Эпоха звезд (10⁶ – 10¹⁴ лет Вселенной). Эпоха, в которую мы живем, и которая отличается активным формированием и рождением звезд. Эпоха звезд будет длиться до того момента, пока не будут исчерпаны все запасы межзвездного газа. К тому времени красные карлики, небольшие и относительно холодные звезды (2000 – 3000 К), окончательно потухнут, переработав все внутреннее топливо. Солнце же, примерно через 5 млрд. лет (около 19 х 10⁹ лет Вселенной) обернется красным гигантом, сбросив с себя верхние слои, которые вероятно поглотят Меркурий и Венеру. Если Землю не постигнет та же участь, то наша планета станет раскаленной и покроется лавой. Спустя еще 2 млрд. лет Солнце оставит после себя лишь белого карлика, а Млечный Путь начнет сливаться с галактикой Андромеда, в результате чего образуется новая единая галактика.
2. Эпоха распада (10¹⁵ – 10³⁹ лет). Временной отрезок жизни Вселенной, к началу которого топливо большинства звезд будет переработано, и они перейдут к последнему этапу своей эволюции, существованию в виде белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр, в зависимости от изначальных характеристик тела. Термоядерные реакции будут иметь место лишь в недрах коричневых карликов, которых в космическом пространстве останется незначительное количество. Постепенно галактики одного и того же скопления сольются воедино.

   

   Конец эпохи распада в представлении художника. Пространство без звезд выглядит пугающе.

3. Эпоха черных дыр (10⁴⁰ – 10¹⁰⁰ лет). До начала этой эпохи подавляющая часть космических тел распадется на элементарные частицы, которые и станут основными представителями вещества во Вселенной. Из числа массивных объектов останется лишь малое число нейтронных звезд, а также черные дыры. Если все предыдущие эпохи они накапливали на своей поверхности вещество, то теперь останется лишь процесс излучения накопленного вещества в виде различных элементарных частиц, по большей части – фотонов (излучение Грибова-Хокинга). В результате длительного излучения частиц черная дыра постепенно теряет массу. По этой причине в некоторый момент сил гравитации становится недостаточно, чтобы удержать черную дыру как единое тело, и она взрывается, высвобождая колоссальную энергию в виде испускаемых частиц. Другим типом излучения черной дыры являются гравитационные волны, которые формируются как результат столкновения двух массивных объектов. В результате взаимного притяжения черных дыр образуются их скопления и сверхскопления. Примечательно, что по этой причине может образоваться одна гигантская черная дыра, которая либо будет существовать до конца жизни Вселенной, либо ее температура и плотность достигнут Планковского предела и она вспыхнет новым Большим Взрывом, дав начало новой Вселенной.
4. Эпоха вечной тьмы ( > 10¹⁰¹ лет). Всевозможные источники энергии уже исчерпали себя и в космическом пространстве остались лишь их остаточные продукты, вроде длинноволнового излучения фотонов, нейтрино, кварков, а также позитронов и электронов. Последние изредка и на короткое время (до 143 нс) будут образовывать систему в виде экзотического атома – позитрония. Однако, в конце концов все элементарные частицы настигнет полная аннигиляция. При этом температура Вселенной упадет до максимально близкого значения к абсолютному нулю.

Будущее Вселенной

Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:

1. Если со временем расширение Вселенной замедлится, а после — обернется в сжатие, то конечным этапом ее жизни станет Большое сжатие. В результате чего все вещество коллапсирует и вернется в изначальное свое состояние – сингулярность.
2. Иной сценарий — средняя плотность вещества Вселенной точно определена и является таковой, что расширение постепенно замедляется.
3. Наиболее вероятная, в силу современных результатов наблюдений, модель. Подразумевает равномерное расширение Вселенной, по инерции.
4. Стремительный рост скорости расширения Вселенной, который приведет наш мир к так называемому Большому разрыву.

Из теории Фридмана
следует, что возможны различные сценарии
эволюции Вселенной: неограниченное
расширение, чередование сжатий и
расширений и даже тривиальное стационарное
состояние. Какой из этих сценариев
реализуется — зависит от соотношения
между критической и фактической
плотностью вещества во Вселенной на
каждом этапе эволюции. Для того, чтобы
оценить значения этих плотностей,
рассмотрим сначала, как астрофизики
представляют себе структуру Вселенной.

В настоящее время
считается, что материя во Вселенной
существует в трех формах: обычное
вещество, реликтовое излучение и так
называемая «темная» материя. Обычное
вещество сосредоточено в основном в
звездах, которых только в нашей Галактике
насчитывается около ста миллиардов.
Размер нашей Галактики составляет 15
килопарсек (1 парсек = 30,8  10¹² км).
Предполагается, что во Вселенной
существует до миллиарда различных
галактик, среднее расстояние между
которыми имеет порядок одного мегапарсека.
Эти галактики распределены крайне
неравномерно, образуя скопления
(кластеры). Однако, если рассматривать
Вселенную в очень большом масштабе,
например, «разбивая» ее на «ячейки» с
линейным размером, превышающим 300
мегапарсек, то неравномерность структуры
Вселенной уже не будет наблюдаться.
Таким образом, в очень больших масштабах
Вселенная является однородной и
изотропной. Вот для такого равномерного
распределения вещества можно рассчитать
плотность _в,
которая составляет величину 
310^-31
г / см³.

Эквивалентная
реликтовому излучению плотность _р
  
510^-34
 г / см³,
что много меньше _в
и, следовательно, может не приниматься
в расчет при подсчете общей плотности
материи во Вселенной.

Наблюдая за
поведением галактик, ученые предположили,
что помимо светящегося, «видимого»
вещества самих галактик в пространстве
вокруг них существуют, по-видимому,
значительные массы вещества, наблюдать
которые непосредственно не удается.
Эти «скрытые» массы проявляют себя
только тяготением, которое сказывается
на движении галактик в группах и
скоплениях. По этим признакам оценивают
и связанную с этой «темной» материей
плотность _т,
которая, по расчетам, должна быть примерно
в ~ 30 раз больше, чем _в.
Как будет видно из дальнейшего, именно
«темная» материя является, в конечном
счете, «ответственной» за тот или иной
«сценарий» эволюции Вселенной¹.

Чтобы убедиться
в этом, оценим критическую
плотность
вещества, начиная с которой «пульсирующий»
сценарий эволюции сменяется «монотонным».
Такую оценку, хотя и достаточно грубую,
можно произвести на основании классической
механики, без привлечения общей теории
относительности. Из современной
астрофизики нам потребуется только
закон Хаббла.

Вычислим энергию
некоторой галактики, имеющей массу m,
которая находится на расстоянии L
от «наблюдателя» (рис.10.2). Энергия Е
этой галактики складывается из
кинетической энергии
и потенциальной энергии,
которая связана с гравитационным
взаимодействием галактикиm
с веществом массы M,
находящимся внутри шара радиуса L
(можно показать, что вещество, находящееся
вне шара, не вносит вклада в потенциальную
энергию). Выразив массу M
через плотность ,
,
и учитывая закон Хаббла, запишем выражение
для энергии галактики:

Рис. 10.2 К расчету критической плотности
вещества Вселенной

Из этого выражения видно,
что в зависимости от значения плотности

энергия Е
может быть либо положительной (Е

0), либо отрицательной (Е

0). В первом случае рассматриваемая
галактика обладает достаточной
кинетической энергией, чтобы преодолеть
гравитационное притяжение массы М и
удалиться на бесконечность. Это
соответствует неограниченному монотонному
расширению Вселенной (модель «открытой»
Вселенной).

Во втором случае
(Е
< 0) расширение Вселенной в какой-то
момент прекратится и сменится сжатием
(модель «замкнутой» Вселенной).
Критическое значение плотности
соответствует условию Е
= 0, поэтому получаем

Подставив в это
выражение известные значения Н
= 15 ((км/с)/10⁶
световых
лет) и G
= 6,6710^-11
м³/кг
с² ,
получаем значение критической плотности
_к

10^-29
г / см³.
Таким образом, если бы Вселенная состояла
только из обычного “видимого” вещества
с плотностью _в

310^-31
г / см³,
то ее будущее было бы связано с
неограниченным расширением. Однако,
как было сказано выше, наличие «темной»
материи с плотностью _т

_в
может привести к пульсирующей эволюции
Вселенной, когда период расширения
сменяется периодом сжатия (коллапсом)
(рис.10.3). Правда, в последнее время ученые
все больше приходят к мысли, что плотность
всей материи во Вселенной, включая и
«темную» энергию, в точности равна
критической. Почему это так? На этот
вопрос ответа пока нет.

Рис. 10.3. Расширение и сжатие Вселенной

10.5
Иерархичность структуры Вселенной

Фундаментальные
константы играют важную роль в построении
масштабов нашего мира. Они позволяют
дать некую иерархическую картину
структуры Вселенной. Это можно пояснить
графически представлениями изменения
размеров тел и расстояний, а также их
масс (рис. 10.4 и 10.5). Действительно, наиболее
естественными и наглядными квалификационными
признаками являются размер объекта и
его масса. Выделяют

—
микромир с характерными размерами
меньше, чем 10^-8
м (частицы, ядра, атомы, молекулы),

—
макромир (макромолекулы, кристаллы
жидкости, газы, живые организмы, человек,
объекты техники, т.е. макротела)

—
мегамир (планеты, звезды, галактики).

Понятно,
что границы микро- и макромира подвижны,
и не существует отдельного микромира
и отдельного макромира. Естественно,
что макрообъекты и мегаобъекты, построены
из микрообъектов и в основе макро- и
мегаявлений лежат микроявления. Это
наглядно видно на примере построения
Вселенной из взаимодействующих
элементарных частиц в рамках
космомикрофизики. На самом деле мы
должны понимать, что речь идет лишь о
различных уровнях рассмотрения вещества.
Микро-, макро- и мегаразмеры объектов
соотносятся друг с другом как макро/микро
~ мега/макро. В классической физике
отсутствовал объективный критерий
отличия макро- от микрообъекта. Это
отличие ввел М. Планк: если для
рассматриваемого объекта минимальным
воздействием (квант действия) на него
можно пренебречь, то это макрообъекты,
если нельзя — это микрообъект.

Рис. 10.4 Масштабы Вселенной Рис. 10.5 Масштабы микромира

Кварки
«являются» составной частью протонов
и нейтронов, затем из них образуются
ядра атомов. Атомы объединяются в
молекулы. Если двигаться дальше по шкале
размеров тел, то далее следуют обычные
макротела, планеты и их системы, звездные
скопления галактик и метагалактик, т.е.
можно представить переход от микро-,
макро- и мега- как в размерах, так и
моделях физических процессов.
Фундаментальные мировые константы
определяют масштабы иерархической
структуры материи нашего мира. Очевидно,
что сравнительно небольшое их изменение
и должно приводить к формированию
качественно иного мира, в котором стало
бы невозможным образование ныне
существующих микро-, макро- и мегаструктур
и в целом высокоорганизованных форм
живой материи. Имеющая место «подгонка»
мировых констант, т.е. определенные их
значения и взаимоотношения между ними,
по существу, и обеспечивает структурную
устойчивость нашей Вселенной. Поэтому
проблема, казалось бы, абстрактных
мировых констант имеет глобальное
мировоззренческое значение.

Антропный
принцип требует также, чтобы средняя
плотность вещества Вселенной ρ_ср
была бы близка к критической ρ_кр,
так как при ρ_ср
<< ρ_кр
следует, что время существования нашего
мира было бы настолько мало, что за это
время жизнь не могла бы возникнуть.

Однако
современная наука не дает однозначного
ответа, какое из этих отношений между
ρ_кр
и ρ_ср
справедливо, поскольку часть вещества
находится в «невидимом» состоянии.
Оценка же дает близкие значения ρ_кр
≈ 10^-29
г/см³,
ρ_ср
≈ 10^-30
г/см³,
откуда следует, что уже в рамках
ньютоновской механики следует возможность
нестационарной или, как мы уже знаем,
пульсирующей Вселенной. Из таких
вариантов эволюции Вселенной можно
сделать следующие выводы: из
термодинамических соображений следует,
что Вселенную в целом можно рассматривать
как открытую систему, в которой происходят
необратимые и неравновесные процессы.
Во всяком случае, ρ_ср
и ρ_кр
близки по своим значениям, и, следовательно,
антропный принцип выполняется. Заметим
также, что радиус R
не
должен быть больше критического R_кр
= 2Gm/c²,
поскольку в нашем миропонимании и
признании ОТО скорость разбегания
Галактик не должна превышать скорость
света (ν
<
с).
Показано, что при ρ_кр
≈ ρ_ср
пространство может считаться
псевдоевклидовым и число пространственных
измерений опять же сводится к трем. Это
вообще не удивительно, так как модель
развита в рамках теории Ньютона. Заметим
еще один интересный результат, полученный
в 20-х годах П.
Эренфестом (1880—1933): при
четном числе пространственных координат
не должно существовать замкнутых орбит
планет и невозможна передача информации
путем волн, что может служить дополнительным
свидетельством в пользу трехмерности
пространства и правильности антропного
принципа.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Именно начиная с Большого Взрыва мы получаем возможность описать нашу Вселенную как полную материи и излучения и подключить известные законы физики, объясняющие современную форму космоса. Но Вселенная продолжает расширяться. Появляются новые звезды, космос эволюционирует. Каким будет его конец? Давайте спросим у науки.

Какой конец у Вселенной

Долгое время ученые, изучавшие структуру и эволюцию Вселенной, рассматривали три возможности, основанные на простой физики общей теории относительности и контексте расширения Вселенной. С одной стороны, гравитация активно собирает все вместе; это притягивающая сила, управляемая материей и энергией во всех их формах, присутствующих во Вселенной. С другой стороны, есть начальная скорость расширения, которое разделяет все на части.

Большой Взрыв стал выстрелом, после которого началась грандиознейшая гонка всех времен: между гравитацией и расширением вселенной. Кто в итоге победит? Ответ на этот вопрос определит судьбу нашего мира.

Мы думали, что у Вселенной такие варианты:

• Вселенная схлопнется в процессе Большого Сжатия. Расширение начнется быстро и большое количество материи и излучения разорвется на части. Если материи и энергии будет более чем достаточно, Вселенная расширится до определенного максимального размера, расширение обратит сжатие и Вселенная снова схлопнется.
• Вселенная будет расширяться вечно и приведет к Большому Замерзанию. Все начнется так же, как и выше, но в этот раз количества вещества и энергии будет недостаточно, чтобы противостоять расширению. Вселенная будет расширяться вечно, поскольку скорость расширения будет продолжать падать, но никогда не достигнет нуля.
• Расширение Вселенной асимптотически стремится к нулю. Представьте себе пограничную ситуацию между двумя приведенными выше примерами. Одним протоном больше — и мы схлопываемся; одним меньше — расширяемся бесконечно. В этом критическом случае Вселенная расширяется вечно, но с наименьшей возможной скоростью.

Чтобы узнать, какой вариант правильный, нам нужно было просто измерить, с какой скорость расширяется Вселенная и как скорость расширения менялась со временем. Остальное дело физики.

Это была одна из величайших задач современной астрофизики. Измерьте скорость, с которой расширялась Вселенная, и узнаете, как меняется ткань пространства сегодня. Измерьте, как изменилась скорость расширения со временем, и узнаете, как ткань пространства менялась в прошлом.

Объедините две эти части информации и то, как изменилась скорость расширения и какой она была, позволит вам определить, из чего состоит Вселенная и в каких пропорциях.

Насколько нам известно, основываясь на этих измерениях, мы определили, что Вселенная состоит на 0,01% из излучения, 0,1% — нейтрино, 4,9% — обычная материя, 27% — темная материя, 68% — темная энергия. Этот квест, который для некоторых начался еще в 1920-х годах получил неожиданный ответ в конце 1990-х.

Вам будет интересно: Может ли темная материя быть старше Большого взрыва?

Итак, если темная энергия доминирует в расширении Вселенной, что это значит для нашей судьбы? Все зависит от того, как — или если — темная энергия будет развиваться со временем. Вот пять вариантов.

Темная энергия — это космологическая постоянная, преобладающая в расширении. Это опция по умолчанию, учитывающая наши лучшие данные. В то время как материя становится менее плотной по мере расширения Вселенной, разбавляется по мере расширения объема, темная энергия представляет собой ненулевое количество энергии, присущее ткани самого пространства. По мере расширения Вселенной плотность темной энергии остается постоянной, что приводит к тому, что расширение всегда сохраняет положительное значение.

Это приводит к экспоненциально расширяющейся Вселенной и в конечном итоге растолкает все, что не является частью нашей локальной группы. Уже 97% видимой Вселенной становится недоступным в таких условиях.

Темная энергия динамична и становится мощнее со временем. Темная энергия, по всей видимости, является новой формой энергии, которая присуща самому пространству, из чего следует, что она имеет постоянную плотность энергии. Но она также может меняться со временем. Один из возможных способов изменения заключается в том, что она постепенно усиливается, что приведет к ускорению скорости расширения Вселенной.

Удаленные объекты не только будут удаляться от нас, но и делать это все быстрее и быстрее. Хуже того, объекты, которые сейчас связаны гравитационно — вроде скоплений галактик, отдельных галактик, солнечных систем и даже атомов — однажды развяжутся вследствие укрепления темной энергии. В последние моменты существования Вселенной субатомные частицы и сама ткань пространства-времени разорвутся на части. Эта судьба — Большой Разрыв — наш второй вариант.

Темная энергия динамична и ослабевает со временем. Как еще может измениться темная энергия? Вместо того, чтобы укрепляться, она может ослабнуть. Конечно, скорость расширения согласуется с постоянным количеством энергии, принадлежащей самому пространству, но эта плотность энергии также может снижаться.

Если она ослабеет до нуля, все придет к одной из выше описанных возможностей: Большому Замерзанию. Вселенная будет расширяться, но без достаточного количества материи и других форм энергии, которые помогут ей заново схлопнуться.

Если распад станет отрицательным, это может привести к другой возможности: Большому Сжатию. Вселенная заполнится энергией, присущей пространству, которая внезапно поменяет знаки и приведет пространство к сжатию. Такой вариант тоже возможен.

Темная энергия перейдет в другую форму энергии, омолаживающую Вселенную. Если темная энергия не распадается, а остается постоянной или даже усиливается, возникает еще одна возможность. Эта энергия, присущая ткани пространства, может не всегда оставаться в такой форме. Вместо этого она может превращаться в материю и излучение, подобные тому, что были, когда закончилась космическая инфляция и начался Большой Взрыв.

Если темная энергия останется постоянной до этой точки, она создаст очень, очень холодную и рассеянную версию раскаленного Большого Взрыва, в которой сами себя смогут создавать только нейтрино и фотоны. Но если сила темной энергии будет возрастать, это может привести к состоянию, подобному инфляции, за которым последует новый, действительно раскаленный Большой Взрыв. Это самый простой способ омолодить Вселенную с заданными параметрами.

Темная энергия связана с нулевой энергией квантового вакуума и будет распадаться, разрушая нашу Вселенную. Это самая разрушительная возможность из всех. Что, если темная энергия не является истинной величиной пустого пространства в конфигурациях с самой низкой энергией, а является результатом симметрий на ранних этапах Вселенной, когда они оказались в конфигурации с ложным минимумом?

Если это так, должен быть способ создать квантовый туннель в состояние с более низкой энергией, изменив законы физики и уничтожив все связанные состояния (то есть частицы) квантовых полей сегодня. Если квантовый вакуум нестабилен в этом смысле, то, где бы этот распад ни произошел, результатом будет разрушение всего во Вселенной посредством пузыря, распространяющегося на скорости света. Если такой сигнал достигнет нас, нам тоже придет конец.

Хотя мы не знаем, какая из этих возможностей будет верной для нашей Вселенной, данные просто неистово голосуют в пользу первого варианта: темная энергия действительно является постоянной величиной. Прямо сейчас, наши наблюдения того, как развивалась Вселенная — особенно благодаря космическому микроволновому фоновому излучению и крупномасштабной структуре Вселенной — накладывают жесткие ограничения на то, как много места для маневра остается у темной энергии, чтобы измениться.

И пока у нас не будет новой правды о Вселенной, мы будем придерживаться этой. А если вы не согласны, приглашаем поделиться в нашем чате в Телеграме.

Рождение Вселенной. Новый сценарий…

Заявленная тема волнует сотни и даже тысячи людей, интересующихся судьбой нашей Вселенной. Проблема настолько сложна, что фактически на протяжении пяти тысяч лет человек не смог ничего предложить кроме гипотез. Автор не исключение, поэтому он приглашает к сотрудничеству всех желающих объединить свои усилия в нетрадиционном подходе к решению данной проблемы. Предлагая ниже свою гипотезу, автор надеется на конструктивные предложения, дополнения, исправления и т.д., не только в ее математическом обосновании, но и на философское развитие самой гипотезы. Поэтому здесь представлен пока только общий сценарий, который в случае проявленного интереса, будет дополнен рядом математических моделей и необходимыми литературными ссылками.

Новый сценарий

В данном разделе предлагается сценарий рождения и эволюции Вселенной, основанный на хорошо известной идее двойственности (бинарности) нашего Мира. Мы надеемся, что данный сценарий позволит существенно сократить лавинообразный процесс «размножения» гипотез в современной науке (особенно в физике). Для этого достаточно признать изначальную двойственность Космического вакуума. Эта двойственность повсеместно проявляется в нашей Природе. В физике: частица — античастица, корпускулярно-волновой дуализм, бифуркации и т.д.; в биологии: деление клеток надвое, двуполость организмов, двойная спираль ДНК и т.д.; в математике: бинарность всех математических операций, бинарность комплексных чисел, бинарность фракталов и т.д. Перечислять примеры двойственности можно бесконечно, но мы пока не знаем в чем скрытый смысл закона двойственности. Идея двойственности духовного мира также хорошо прослеживается в философских концепциях, начиная с глубокой древности. Закон двойственности можно было бы возвести в ранг одного из главных законов философии.

Полагать, что наша уникальная Вселенная возникла случайно, как один из огромного числа вариантов, так же наивно, как полагать, что жизнь на Земле возникла в результате случайного сочетания атомов и молекул. Привлечение в космологию идей типа «параллельных миров», или «антропного принципа» показывает, что уже настал момент, когда глобальные физические Теории Всего Сущего необходимо рассматривать совместно с элементами биологического знания. Все чаще необычные явления в нашей Вселенной заставляют профессиональных космологов задавать «биологические» вопросы. Видимо интуитивно предполагается наличие во Вселенной неких нефизических явлений и образований. Не обладая другими понятиями кроме вещественных, современная физика упорно пытается «втиснуть» 96% Вселенной (темная материя — 26% и темная энергия — 70%) в, привычные ей, материалистические рамки. Удивительно, что на «нашу» наблюдаемую и ощущаемую барионную материю остается менее 4%, большая часть которой не связана с живой материей.

Оригинальность нашего подхода заключается в выявлении первопричины отмеченной выше вездесущей двойственности, а именно в представлении Космического вакуума в виде двух частей – вещественной (физической) и мнимой (антиподной физической). Здесь мы коротко изложим наше видение процесса рождения и эволюции Вселенной (отличающееся от принятой в современной космологии).

Все больше космологов склоняются к гипотезе о начале нашей Вселенной не из куска сверхплотного вещества, а из «планковского вакуума», как «кипящей пены» виртуальных безмассовых частиц и античастиц. Мы также принимаем эту рабочую физическую гипотезу, согласно которой исходный «планковский вакуум», благодаря своей неустойчивости (огромное отрицательное давление) «взорвался» (лучше сказать – «вспыхнул») и стал инфляционно «раздуваться» (Пузырь-1).

Затем «планковский вакуум» стал «расщепляться» на бинарные структуры со спонтанным нарушением исходной симметрии. При первом расщеплении (Пузырь-2) возникли: гравитационное поле (пространство-время) и новый квазиустойчивый бинарный вакуум (будем его называть Космическим вакуумом). Благодаря возникновению пространства, сверхбыстрый процесс инфляции резко «затормозился» до скорости ниже скорости света и расширение пошло «по инерции» (без ускорения). Резкое торможение привело в разогреву Пузыря-2 и начался процесс рождения (из виртуальных безмассовых частиц) стабильных частиц смассой (механизм Хиггса). Данный процесс шел «под управлением» и приучастии Космического вакуума. Можно сказать, что в этот момент и родилась наша материальная Вселенная (Пузырь- 3).

По нашему предположению, Космический вакуум состоит из двух антиподных друг другу частей: вещественной (физической) и мнимой (с противоположным знаком потенциальной энергии). Благодаря антиподности этих частей, эффективное значение плотности потенциальной энергии Космического вакуума равнялось нулю (L = Ʌ1- Ʌ2 = 0) и он долгое время (7 млрд. лет) не влиял на скорость раздувания пространства (раздувание шло по инерции). После рождения двойственного Космического вакуума, обе его компоненты приступили к выполнению своих функций: физический вакуум – к созданию материальных частиц и полей их взаимодействия (согласно Стандартной физической модели), а мнимый вакуум – к «управлению» процессом создания «нужных» (для возникновения живой материи) частиц и полей. Вероятней всего, Космический вакуум затратил на первый этап создания неживой материи небольшую часть (около 4%) своего энергетического баланса. Однако, на этапе создания живой материи потребовалось намного больше энергетических затрат (уже только мнимого вакуума). Как следствие данного процесса, доля мнимого вакуума в общем энергетическом балансе космического вакуума должна существенно уменьшаться, нарушая «нулевой» баланс с физическим вакуумом (L = Ʌ1-Ʌ2 ≠ 0). Данный процесс можно связать с появлением темной энергии и началом нового ускоренного расширения Вселенной.

Итак, мы предполагаем, что мнимое «вакуумное поле» обладает неким «сознанием» и «целью», позволяющимему направлять эволюцию живой (и неживой) материи в сторону создания все более и более высокоорганизованных форм. Аналогичное свойство, но с противоположной (антиподной) направленностью, присуще также физическому вакууму, которое известно под названием «второе начало термодинамики».

Функции физического вакуума элементарных частиц достаточно хорошо изучены. О функциях мнимого вакуума мы пока ничего не знаем и можем только предполагать, что эти функции антиподны функциям физического вакуума. По нашему предположению, мнимый вакуум «создает» живую материю и управляет процессом ее направленной эволюции, то есть он находится в живой материи так же, как физический вакуум находится в элементарных частицах. Точнее сказать: и в живой и неживой материи присутствуют оба вакуума, но каждый на «своем уровне»: физический — на микроуровне элементарных частиц, а мнимый – на уровне биологических макромолекул и более крупных материальных структур живого организма.

Предложенная гипотеза не претендует на окончательную истинность, она требует дальнейшей разработки и экспериментальной проверки. «Практичность» данной гипотезы заключается в возможности «списать» все «случайные» и «необычные» явления в нашей Вселенной на уникальный мнимый вакуум с «космическим сознанием». Представленный здесь сценарий рождения и эволюции Вселенной в значительной степени основан на гипотезах, как физических, так и биологических. Поэтому в любой момент он может быть заменен другим сценарием, что характерно для современной науки. А мы перейдем к самому интригующему вопросу: происхождению темной материи.

Продолжая развивать гипотезу мнимого вакуума, можно включить в нее и предположение о природе темной материи. Допустим, что целью мнимого вакуума, обладающего «сознанием», было создание (с помощью живой материи) из своей вакуумной «субстанции» более плотных структур, которые сейчас фиксируются в космическом пространстве в виде, так называемой, темной материи. Другими словами, по нашему предположению, темная материя – это заранее «задуманный» результат эволюции мнимого вакуума, а живая материя – это промежуточный этап (оболочка) превращения мнимого вакуума в темную материю (можно называть её «душой»). При этом живая материя, в процессе своей органической эволюции, постоянно «требует» дополнительно все большей и большей «подпитки» из энергетического бюджета Космического вакуума, так как хорошо известно, что живая материя растет чрезвычайно интенсивно (экспоненциально). За миллиарды лет эволюции Вселенной в ней накопилось огромное количество живой материи, аккумулирующей мнимый вакуум. Неживая материя нерастет и не возникает дополнительно к уже существующей (закон сохранения материи). Поэтому неживая материя не требует дополнительной «подпитки» физическим вакуумом.

Таким образом, живая материя является тем местом (оболочкой) где мнимый вакуум, за время жизни живой особи, приобретает новые свойства (большую плотность, возможно новую информацию и др.) и после смерти особи возвращается в космическое пространство в виде темной материи.

Как следствие данного процесса, доля мнимого вакуума в общем энергетическом балансе Космического вакуума уменьшается, нарушая «нулевой» баланс с физическим вакуумом. В результате, в космическом пространстве проявилась ничем не скомпенсированная физическая вакуумная компонента в виде, так называемой, темной энергии, из-за чего глобальная Вселенная (через 7 млрд. лет) опять начала испытывать ускоренное расширение.

Обитаемые (живые) миры возникали, возникают и будут еще возникать в нашей физической Вселенной, как мгновенные события, в разное время ее эволюции. В короткий момент существования живых миров, в каждом из них «рождается» и «выбрасывается» в космическое пространство определенное количество плотной, «мыслящей» темной материи. В будущем, глобальная Вселенная будет состоять из «живой» темной материи (сейчас она «живая» на 26%). К сожалению (?), со временем живая материя исчезнет. В дальнейшем в физической Вселенной начнется, согласно представлениям современной физики, распад физических полей и частиц, и наступит новый этап эволюции Вселенной – этап эволюции «живой» темной материи.

Здесь возникает ряд сложных вопросов. С одной стороны, как узнать, кто «производит» более «качественную» темную материю: выдающиеся ученые, писатели, артисты, или «простой человек»?; атеист или верующий?; злодей или праведник?; «производит» ли темную материюне только человек, но и любой живой организм (включая растения)?; является ли космическое сознание всего лишь одной из форм поля с антиподной направленностью по отношению к физическому полю, или это действительно что-то духовное в религиозном понимании?; и т.д.

С другой стороны, следует помнить, что кроме Космического сознания существует сознание уникального человеческого мозга, способного проникать в тайны Вселенной. Здесь также возникает ряд трудных вопросов: возможно ли взаимодействие Космического сознания с сознанием человеческого мозга?; предопределен ли техногенный путь развития человечества?; если «да», то возможен ли симбиоз «духовного» начала темной материи с неизбежной роботизацией человека?; и т.д. Поэтому задача изучения сознания Человека является такой же актуальной, как и задача изучения сознания во Вселенной. Более того, мы считаем, что космология и биология должны стать единой наукой о нашем Мире, а физика и математика – это удобный инструмент для нашего миропонимания.

The ultimate fate of the universe is a topic in physical cosmology, whose theoretical restrictions allow possible scenarios for the evolution and ultimate fate of the universe to be described and evaluated. Based on available observational evidence, deciding the fate and evolution of the universe has become a valid cosmological question, being beyond the mostly untestable constraints of mythological or theological beliefs. Several possible futures have been predicted by different scientific hypotheses, including that the universe might have existed for a finite and infinite duration, or towards explaining the manner and circumstances of its beginning.

Observations made by Edwin Hubble during the 1930s–1950s found that galaxies appeared to be moving away from each other, leading to the currently accepted Big Bang theory. This suggests that the universe began very dense about 13.787 billion years ago, and it has expanded and (on average) become less dense ever since.^[1] Confirmation of the Big Bang mostly depends on knowing the rate of expansion, average density of matter, and the physical properties of the mass–energy in the universe.

There is a strong consensus among cosmologists that the shape of the universe is considered «flat» (parallel lines stay parallel) and will continue to expand forever.^[2][3]

Factors that need to be considered in determining the universe’s origin and ultimate fate include the average motions of galaxies, the shape and structure of the universe, and the amount of dark matter and dark energy that the universe contains.

Emerging scientific basis[edit]

Theory[edit]

The theoretical scientific exploration of the ultimate fate of the universe became possible with Albert Einstein’s 1915 theory of general relativity. General relativity can be employed to describe the universe on the largest possible scale. There are several possible solutions to the equations of general relativity, and each solution implies a possible ultimate fate of the universe.

Alexander Friedmann proposed several solutions in 1922, as did Georges Lemaître in 1927.^[4] In some of these solutions, the universe has been expanding from an initial singularity which was, essentially, the Big Bang.

Observation[edit]

In 1929, Edwin Hubble published his conclusion, based on his observations of Cepheid variable stars in distant galaxies, that the universe was expanding. From then on, the beginning of the universe and its possible end have been the subjects of serious scientific investigation.

Big Bang and Steady State theories[edit]

In 1927, Georges Lemaître set out a theory that has since come to be called the Big Bang theory of the origin of the universe.^[4] In 1948, Fred Hoyle set out his opposing Steady State theory in which the universe continually expanded but remained statistically unchanged as new matter is constantly created. These two theories were active contenders until the 1965 discovery, by Arno Penzias and Robert Wilson, of the cosmic microwave background radiation, a fact that is a straightforward prediction of the Big Bang theory, and one that the original Steady State theory could not account for. As a result, the Big Bang theory quickly became the most widely held view of the origin of the universe.

Cosmological constant[edit]

Einstein and his contemporaries believed in a static universe. When Einstein found that his general relativity equations could easily be solved in such a way as to allow the universe to be expanding at the present and contracting in the far future, he added to those equations what he called a cosmological constant ⁠— ⁠essentially a constant energy density, unaffected by any expansion or contraction ⁠— ⁠whose role was to offset the effect of gravity on the universe as a whole in such a way that the universe would remain static. However, after Hubble announced his conclusion that the universe was expanding, Einstein would write that his cosmological constant was «the greatest blunder of my life.»^[5]

Density parameter[edit]

An important parameter in fate of the universe theory is the density parameter, omega (), defined as the average matter density of the universe divided by a critical value of that density. This selects one of three possible geometries depending on whether is equal to, less than, or greater than . These are called, respectively, the flat, open and closed universes. These three adjectives refer to the overall geometry of the universe, and not to the local curving of spacetime caused by smaller clumps of mass (for example, galaxies and stars). If the primary content of the universe is inert matter, as in the dust models popular for much of the 20th century, there is a particular fate corresponding to each geometry. Hence cosmologists aimed to determine the fate of the universe by measuring , or equivalently the rate at which the expansion was decelerating.

Repulsive force[edit]

Starting in 1998, observations of supernovas in distant galaxies have been interpreted as consistent^[6] with a universe whose expansion is accelerating. Subsequent cosmological theorizing has been designed so as to allow for this possible acceleration, nearly always by invoking dark energy, which in its simplest form is just a positive cosmological constant. In general, dark energy is a catch-all term for any hypothesized field with negative pressure, usually with a density that changes as the universe expands.

Role of the shape of the universe[edit]

The current scientific consensus of most cosmologists is that the ultimate fate of the universe depends on its overall shape, how much dark energy it contains and on the equation of state which determines how the dark energy density responds to the expansion of the universe.^[3] Recent observations conclude, from 7.5 billion years after the Big Bang, that the expansion rate of the universe has probably been increasing, commensurate with the Open Universe theory.^[7] However, other recent measurements by Wilkinson Microwave Anisotropy Probe suggest that the universe is either flat or very close to flat.^[2]

Closed universe[edit]

If , the geometry of space is closed like the surface of a sphere. The sum of the angles of a triangle exceeds 180 degrees and there are no parallel lines; all lines eventually meet. The geometry of the universe is, at least on a very large scale, elliptic.

In a closed universe, gravity eventually stops the expansion of the universe, after which it starts to contract until all matter in the universe collapses to a point, a final singularity termed the «Big Crunch», the opposite of the Big Bang. Some new modern theories assume the universe may have a significant amount of dark energy, whose repulsive force may be sufficient to cause the expansion of the universe to continue forever—even if .^[8]

Open universe[edit]

If , the geometry of space is open, i.e., negatively curved like the surface of a saddle. The angles of a triangle sum to less than 180 degrees, and lines that do not meet are never equidistant; they have a point of least distance and otherwise grow apart. The geometry of such a universe is hyperbolic.^[9]

Even without dark energy, a negatively curved universe expands forever, with gravity negligibly slowing the rate of expansion. With dark energy, the expansion not only continues but accelerates. The ultimate fate of an open universe is either universal heat death, a «Big Freeze» (not to be confused with heat death, despite seemingly similar name interpretation ⁠; see §Theories about the end of the universe below), or a «Big Rip»^[10] — in particular dark energy, quintessence,^[11] and the Big Rip scenario^[12][13] — where the acceleration caused by dark energy eventually becomes so strong that it completely overwhelms the effects of the gravitational, electromagnetic and strong binding forces.

Conversely, a negative cosmological constant, which would correspond to a negative energy density and positive pressure, would cause even an open universe to re-collapse to a big crunch.

Flat universe[edit]

If the average density of the universe exactly equals the critical density so that , then the geometry of the universe is flat: as in Euclidean geometry, the sum of the angles of a triangle is 180 degrees and parallel lines continuously maintain the same distance. Measurements from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe have confirmed the universe is flat within a 0.4% margin of error.^[2]

In the absence of dark energy, a flat universe expands forever but at a continually decelerating rate, with expansion asymptotically approaching zero. With dark energy, the expansion rate of the universe initially slows down, due to the effects of gravity, but eventually increases, and the ultimate fate of the universe becomes the same as that of an open universe.

Theories about the end of the universe[edit]

The fate of the universe may be determined by its density. The preponderance of evidence to date, based on measurements of the rate of expansion and the mass density, favors a universe that will continue to expand indefinitely, resulting in the «Big Freeze» scenario below.^[14] However, observations are not conclusive, and alternative models are still possible.^[15]

Big Freeze or Heat Death[edit]

The Big Freeze (or Big Chill) is a scenario under which continued expansion results in a universe that asymptotically approaches absolute zero temperature.^[16] This scenario, in combination with the Big Rip scenario, is gaining ground as the most important hypothesis.^[17] It could, in the absence of dark energy, occur only under a flat or hyperbolic geometry. With a positive cosmological constant, it could also occur in a closed universe. In this scenario, stars are expected to form normally for 10¹² to 10¹⁴ (1–100 trillion) years, but eventually the supply of gas needed for star formation will be exhausted. As existing stars run out of fuel and cease to shine, the universe will slowly and inexorably grow darker. Eventually black holes will dominate the universe, which themselves will disappear over time as they emit Hawking radiation.^[18] Over infinite time, there would be a spontaneous entropy decrease by the Poincaré recurrence theorem, thermal fluctuations,^[19][20] and the fluctuation theorem.^[21][22]

A related scenario is heat death, which states that the universe goes to a state of maximum entropy in which everything is evenly distributed and there are no gradients—which are needed to sustain information processing, one form of which is life. The heat death scenario is compatible with any of the three spatial models, but requires that the universe reaches an eventual temperature minimum.^[23]

Big Rip[edit]

The current Hubble constant defines a rate of acceleration of the universe not large enough to destroy local structures like galaxies, which are held together by gravity, but large enough to increase the space between them. A steady increase in the Hubble constant to infinity would result in all material objects in the universe, starting with galaxies and eventually (in a finite time) all forms, no matter how small, disintegrating into unbound elementary particles, radiation and beyond. As the energy density, scale factor and expansion rate become infinite the universe ends as what is effectively a singularity.

In the special case of phantom dark energy, which has supposed negative kinetic energy that would result in a higher rate of acceleration than other cosmological constants predict, a more sudden big rip could occur.

Big Crunch[edit]

The Big Crunch hypothesis is a symmetric view of the ultimate fate of the universe. Just as the Big Bang started as a cosmological expansion, this theory assumes that the average density of the universe will be enough to stop its expansion and the universe will begin contracting. The result is unknown; a simple estimation would have all the matter and space-time in the universe collapse into a dimensionless singularity back into how the universe started with the Big Bang, but at these scales unknown quantum effects need to be considered (see Quantum gravity). Recent evidence suggests that this scenario is unlikely but has not been ruled out, as measurements have been available only over a short period of time, relatively speaking, and could reverse in the future.^[17]

This scenario allows the Big Bang to occur immediately after the Big Crunch of a preceding universe. If this happens repeatedly, it creates a cyclic model, which is also known as an oscillatory universe. The universe could then consist of an infinite sequence of finite universes, with each finite universe ending with a Big Crunch that is also the Big Bang of the next universe. A problem with the cyclic universe is that it does not reconcile with the second law of thermodynamics, as entropy would build up from oscillation to oscillation and cause the eventual heat death of the universe^{[citation needed]}. Current evidence also indicates the universe is not closed^{[citation needed]}. This has caused cosmologists to abandon the oscillating universe model. A somewhat similar idea is embraced by the cyclic model, but this idea evades heat death because of an expansion of the branes that dilutes entropy accumulated in the previous cycle.^{[citation needed]}

Big Bounce[edit]

The Big Bounce is a theorized scientific model related to the beginning of the known universe. It derives from the oscillatory universe or cyclic repetition interpretation of the Big Bang where the first cosmological event was the result of the collapse of a previous universe.

According to one version of the Big Bang theory of cosmology, in the beginning the universe was infinitely dense. Such a description seems to be at odds with other more widely accepted theories, especially quantum mechanics and its uncertainty principle.^[24] Therefore, quantum mechanics has given rise to an alternative version of the Big Bang theory, specifically that the universe tunneled into existence and had a finite density consistent with quantum mechanics, before evolving in a manner governed by classical physics.^[24] Also, if the universe is closed, this theory would predict that once this universe collapses it will spawn another universe in an event similar to the Big Bang after a universal singularity is reached or a repulsive quantum force causes re-expansion.

In simple terms, this theory states that the universe will continuously repeat the cycle of a Big Bang, followed up with a Big Crunch.

Cosmic uncertainty[edit]

Each possibility described so far is based on a very simple form for the dark energy equation of state. However, as the name is meant to imply, very little is currently known about the physics of dark energy. If the theory of inflation is true, the universe went through an episode dominated by a different form of dark energy in the first moments of the Big Bang, but inflation ended, indicating an equation of state far more complex than those assumed so far for present-day dark energy. It is possible that the dark energy equation of state could change again, resulting in an event that would have consequences which are extremely difficult to predict or parameterize. As the nature of dark energy and dark matter remain enigmatic, even hypothetical, the possibilities surrounding their coming role in the universe are currently unknown. None of these theoretic endings for the universe are certain. In other words, considering the universe is only around 14 billion years old, extrapolating the trends observed in the cosmic history so far to a considerably longer timescale can be criticized as being insufficiently substantiated.

Other possible fates to the universe[edit]

There are also some possible events, such as the Big Slurp, which would seriously harm the universe, although the universe as a whole would not be completely destroyed as a result.

Big Slurp[edit]

This theory posits that the universe currently exists in a false vacuum and that it could become a true vacuum at any moment.

In order to best understand the false vacuum collapse theory, one must first understand the Higgs field which permeates the universe. Much like an electromagnetic field, it varies in strength based upon its potential. A true vacuum exists so long as the universe exists in its lowest energy state, in which case the false vacuum theory is irrelevant. However, if the vacuum is not in its lowest energy state (a false vacuum), it could tunnel into a lower-energy state.^[25] This is called vacuum decay. This has the potential to fundamentally alter our universe; in more audacious scenarios even the various physical constants could have different values, severely affecting the foundations of matter, energy, and spacetime. It is also possible that all structures will be destroyed instantaneously, without any forewarning.^[26]

However, only a portion of the universe would be destroyed by the Big Slurp while most of the universe would still be unaffected because galaxies located further than 4,200 megaparsecs (13 billion light-years) away from each other are moving away from each other faster than the speed of light while the Big Slurp itself cannot expand faster than the speed of light.^[27]

Observational constraints on theories[edit]

Choosing among these rival scenarios is done by ‘weighing’ the universe, for example, measuring the relative contributions of matter, radiation, dark matter, and dark energy to the critical density. More concretely, competing scenarios are evaluated against data on galaxy clustering and distant supernovas, and on the anisotropies in the cosmic microwave background.

See also[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

• Adams, Fred; Gregory Laughlin (2000). The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity. Simon & Schuster Australia. ISBN 978-0-684-86576-8.
• Chaisson, Eric (2001). Cosmic Evolution: The Rise of Complexity in Nature. Harvard University Press. ISBN 978-0-674-00342-2.
• Dyson, Freeman (2004). Infinite in All Directions (the 1985 Gifford Lectures). Harper Perennial. ISBN 978-0-06-039081-5.
• Harrison, Edward (2003). Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-77351-5.
• Mack, Katie (2020). The End of Everything: (Astrophysically Speaking). Scribner. ISBN 978-1982103545.
• Penrose, Roger (2004). The Road to Reality. Alfred A. Knopf. ISBN 978-0-679-45443-4.
• Prigogine, Ilya (2003). Is Future Given?. World Scientific Publishing. ISBN 978-981-238-508-6.
• Smolin, Lee (2001). Three Roads to Quantum Gravity: A New Understanding of Space, Time and the Universe. Phoenix. ISBN 978-0-7538-1261-7.
• Morris, Richard (1982). The fate of the universe. New York: Playboy Press. ISBN 0-87223-748-6. OCLC 7924027.
• Islam, Jamal N. (1983). The ultimate fate of the universe. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-24814-0. OCLC 8728162.

External links[edit]

• Baez, J., 2004, «The End of the Universe».
• Caldwell, R. R.; Kamionski, M.; Weinberg, N. N. (2003). «Phantom Energy and Cosmic Doomsday». Physical Review Letters. 91 (7): 071301. arXiv:astro-ph/0302506. Bibcode:2003PhRvL..91g1301C. doi:10.1103/physrevlett.91.071301. PMID 12935004. S2CID 119498512.
• Hjalmarsdotter, Linnea, 2005, «Cosmological parameters.»
• George Musser (2010). «Could Time End?». Scientific American. 303 (3): 84–91. Bibcode:2010SciAm.303c..84M. doi:10.1038/scientificamerican0910-84. PMID 20812485.
• Vaas, Ruediger; Steinhardt, Paul J.; Turok, Neil (2007). «Dark Energy and Life’s Ultimate Future». arXiv:physics/0703183.
• A Brief History of the End of Everything, a BBC Radio 4 series.
• Cosmology at Caltech.
• Jamal Nazrul Islam (1983): The Ultimate Fate of the Universe. Cambridge University Press, Cambridge, England. ISBN 978-0-521-11312-0. (Digital print version published in 2009).