Jak działa teoria wielkiego kryzysu

Wszyscy martwimy się, co stanie się pod koniec naszego życia. Widzimy, jak umierają inne żywe istoty i wiemy, że przydarzy się to nam. Ponieważ jest to nieuniknione, martwimy się, kiedy, gdzie i jak to się stanie. Wielu z nas również zastanawia się nad losem Ziemi . Czy na zawsze będzie gościnną niebieską kulą, czy w końcu zostanie pochłonięta przez słońce , gdy przemieni się ze średniej wielkości żółtej gwiazdy w czerwonego olbrzyma? A może zatrujemy naszą planetę, która będzie unosić się w przestrzeni, zimna i wyludniona. Gdyby coś takiego miało się wydarzyć, ile by to zajęło? Sto lat? Tysiąc? Milion?

Niektórzy astronomowie – ci, którzy nazywają siebie kosmologami – zadają podobne pytania dotyczące wszechświata. Skala, w jakiej pracują ci naukowcy, jest oczywiście zupełnie inna. Wszechświat jest ogromny w porównaniu z pojedynczą planetą, nawet pojedynczą galaktyką , a jego oś czasu jest znacznie, znacznie dłuższa. Z tego powodu kosmologowie nie mogą wiedzieć z całą pewnością, jak wszechświat zaczął się ani jak się skończy. Mogą jednak zbierać dowody, domyślać się i formułować teorie.

Jedna z takich teorii, dotycząca przyszłości wszechświata, jest żartobliwie nazywana „wielkim kryzysem”. Zgodnie z tą teorią wszechświat pewnego dnia przestanie się rozszerzać. Następnie, gdy grawitacja przyciąga materię, wszechświat zacznie się kurczyć, opadać do wewnątrz, aż zapadnie się z powrotem w supergorącą, supergęstą osobliwość. Jeśli teoria jest prawdziwa, wszechświat jest jak gigantyczny suflet. Na początku jest mały, a następnie rozszerza się, gdy się nagrzewa. W końcu jednak suflet stygnie i zaczyna się zapadać.

Nikt nie lubi upadłego sufletu, a nie powinniśmy lubić wszechświata, który zachowuje się jak jeden. To zwiastuje zagładę każdej obecnie istniejącej galaktyki, gwiazdy i planety. Na szczęście wielki kryzys nie jest gwarancją. Kosmolodzy są obecnie zaangażowani w gorącą debatę. Jeden obóz mówi, że suflet spadnie; drugi obóz twierdzi, że suflet będzie się powiększał na zawsze. Miną miliardy lat, zanim dowiemy się na pewno, który obóz jest właściwy.

W międzyczasie zagłębmy się głębiej w wielki kryzys, aby zrozumieć, co to jest i co oznacza dla wszechświata. Ponieważ wielki kryzys jest w rzeczywistości konsekwencją Wielkiego Wybuchu , zacznijmy od tego.

1. Big Bang
2. Dowód na Wielki Wybuch
3. Poza Wielkim Wybuchem
4. Grawitacja kontra ekspansja
5. Rola ciemnej energii
6. Śmierć i odrodzenie

Chociaż How the Big Bang Theory Works szczegółowo opisuje pochodzenie wszechświata, przydatne będzie omówienie podstaw tutaj. Skrócona wersja brzmi tak: Około 15 miliardów lat temu cała materia i energia zostały zamknięte w niewiarygodnie małym regionie znanym jako osobliwość . W jednej chwili ten pojedynczy punkt supergęstej materii zaczął się rozszerzać w zdumiewająco szybkim tempie. Astronomowie nie w pełni rozumieją, co spowodowało rozpoczęcie ekspansji, ale używają terminu „wielki wybuch”, aby opisać zarówno osobliwość, jak i kilka pierwszych chwil, które nastąpiły po niej.

W miarę rozszerzania się nowo narodzonego wszechświata zaczął się ochładzać i zmniejszać gęstość. Pomyśl o strumieniu pary wydobywającym się z czajnika. W pobliżu pokrywy dziobka para jest dość gorąca, a cząsteczki pary są skoncentrowane w ograniczonej przestrzeni. Jednak gdy para oddala się od czajnika, para schładza się, gdy cząsteczki rozprzestrzeniają się po kuchni. To samo wydarzyło się po Wielkim Wybuchu. W ciągu około 300 000 lat wszystko, co znajdowało się w osobliwości, rozszerzyło się w kipiącą, nieprzezroczystą sferę materii i promieniowania. Gdy tak się stało, temperatura spadła do 5432 stopni Fahrenheita (3000 stopni Celsjusza), umożliwiając tworzenie się bardziej stabilnych cząstek. Najpierw pojawiły się elektrony i protony, które następnie połączyły się, tworząc atomy wodoru i helu .

Wszechświat nadal się rozszerzał i przerzedzał. Możesz pokusić się o wyobrażenie sobie tego młodego wszechświata jako gulaszu z kępami materii unoszącymi się w gęstym sosie. Ale astronomowie uważają teraz, że była bardziej jak zupa o bardzo gładkiej gęstości, z wyjątkiem kilku drobnych wahań. Te zakłócenia były na tyle znaczące, że spowodowały zlewanie się materii. Zaczęły tworzyć się ogromne skupiska protogalaktyk . Protogalaktyki przekształciły się w galaktyki , wielkie wyspy gazu i pyłu, które dały początek miliardom gwiazd . Wokół niektórych z tych gwiazd grawitacja przyciągała skały, lód i inne materiały, tworząc planety. Na co najmniej jednej z tych planet życie wyewoluowało jakieś 11 miliardów lat po tym, jak wszystko zaczęło się od Wielkiego Wybuchu.

Dziś wszechświat nadal się rozszerza, a astronomowie mają na to dowody. W następnej kolejności zbadamy niektóre z tych dowodów.

­

Jeśli teoria Wielkiego Wybuchu jest poprawna, astronomowie powinni być w stanie wykryć rozszerzanie się wszechświata. Edwin Hubble, imiennik Kosmicznego Teleskopu Hubble'a , był jednym z pierwszych naukowców, którzy zaobserwowali i zmierzyli tę ekspansję. W 1929 badał widma lub tęcze odległych galaktyk , przepuszczając światło tych obiektów przez pryzmat na swoim teleskopie. Zauważył, że światło pochodzące z prawie każdej galaktyki zostało przesunięte na czerwony koniec widma. Aby wyjaśnić obserwację, zwrócił się do efektu Dopplera, zjawisko, które większość ludzi kojarzy z dźwiękiem. Na przykład, gdy karetka zbliża się do nas na ulicy, dźwięk syreny wydaje się rosnąć; gdy mija, ton się zmniejsza. Dzieje się tak, ponieważ karetka albo nadąża za falami dźwiękowymi, które wytwarza (wzrost tonu), albo oddala się od nich (obniżony tonu).

Hubble doszedł do wniosku, że fale świetlne wytworzone przez galaktyki zachowują się podobnie. Twierdził, że gdyby odległa galaktyka pędziła w kierunku naszej galaktyki, zbliżyłaby się do wytwarzanych przez siebie fal świetlnych, co zmniejszyłoby odległość między grzbietami fal i przesunęłoby jej kolor na niebieski koniec widma. Gdyby odległa galaktyka oddalała się od naszej galaktyki, oddaliłaby się od wytwarzanych przez siebie fal świetlnych, co zwiększyłoby odległość między grzbietami fal i przesunęłoby jej kolor na czerwony koniec widma. Po tym, jak konsekwentnie obserwował przesunięcia ku czerwieni, Hubble opracował to, co nazywamy prawem Hubble'a : galaktyki oddalają się od nas z prędkością proporcjonalną do ich odległości od Ziemi .

Dziś przesunięcia ku czerwieni odległych ciał niebieskich stanowią mocny dowód na to, że wszechświat się rozszerza. Ale wszystko, co się rozszerza, musi w końcu się zatrzymać, prawda? Czy wszechświat, niczym piłka rzucona w niebo, nie osiągnie maksymalnego punktu ekspansji, nie zatrzyma się, a potem nie zacznie spadać z powrotem do miejsca, w którym się zaczął? Jak zobaczymy dalej, jest to jeden z trzech możliwych scenariuszy.

­­

Sprawdzenie w tle

Mocne dowody na Wielki Wybuch pochodzą również z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Te kuchenki mikrofalowe są tego samego rodzaju, których używasz do gotowania potraw w kuchni, z wyjątkiem tego, że są rozsiane po całym wszechświecie. W rzeczywistości są one tak równomiernie rozproszone w przestrzeni, że obecnie astronomowie uważają, że promieniowanie CMB jest echem Wielkiego Wybuchu, umierającego tchnienia eksplozji, która dała początek kosmosowi, który znamy dzisiaj.

Prawie wszyscy astronomowie akceptują fakt, że wszechświat się rozszerza. To, co dzieje się dalej, jest prawdziwą tajemnicą. Na szczęście istnieją tylko trzy realne możliwości: Wszechświat może być otwarty, płaski lub zamknięty.

Otwarty Wszechświat. W tym scenariuszu wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, a wraz z nim materia, którą zawiera, będzie coraz cieńsza. W końcu galaktykom skończą się surowce potrzebne do wytworzenia nowych gwiazd . Gwiazdy, które już istnieją, będą powoli gasnąć, jak dogasający żar. Zamiast ognistych kołysek galaktyki staną się trumnami wypełnionymi pyłem i martwymi gwiazdami. W tym momencie wszechświat stanie się ciemny, zimny i, niestety dla nas, pozbawiony życia.

Płaski Wszechświat . Wyobraź sobie marmur toczący się po nieskończenie długiej drewnianej powierzchni. Jest wystarczająco dużo tarcia, aby spowolnić kulkę, ale nie na tyle, aby zrobić to szybko. Kulka będzie się toczyć przez długi czas, aż w końcu zatrzyma się powoli i delikatnie. Oto, co stanie się z płaskim wszechświatem. Pochłonie całą energię z Wielkiego Wybuchu i, osiągnąwszy równowagę, zatrzyma się daleko w przyszłości. Pod wieloma względami jest to tylko odmiana otwartego wszechświata, ponieważ osiągnięcie punktu równowagi zajmie mu dosłownie wieczność.

Zamknięty Wszechświat . Przywiąż jeden koniec bungee do nogi, drugi koniec do poręczy mostu , a następnie zeskocz. Szybko przyspieszysz w dół, aż zaczniesz naciągać linkę. Wraz ze wzrostem napięcia sznur stopniowo spowalnia twoje zejście. W końcu całkowicie się zatrzymasz, ale tylko na sekundę, gdy lina, rozciągnięta do granic możliwości, szarpie cię z powrotem w kierunku mostu. Astronomowie sądzą, że zamknięty wszechświat będzie się zachowywał w podobny sposób. Jego ekspansja zwolni, aż osiągnie maksymalny rozmiar. Potem odskoczy, zapadając się z powrotem na siebie. Gdy to się stanie, wszechświat stanie się gęstszy i gorętszy, aż zakończy się nieskończenie gorącą, nieskończenie gęstą osobliwością.

Zamknięty wszechświat doprowadzi do wielkiego kryzysu – przeciwieństwa Wielkiego Wybuchu. Ale jakie są szanse, że zamknięty wszechświat jest bardziej prawdopodobny niż otwarty lub płaski? Astronomowie zaczynają wymyślać pewne przypuszczenia.

Aby ustalić, czy wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, zatrzyma się, czy zapadnie, astronomowie muszą zdecydować, która z dwóch przeciwstawnych sił wygra kosmiczne przeciąganie liny. Jedną z tych sił jest wybuch Wielkiego Wybuchu – eksplozja, która wyrzuciła wszechświat na zewnątrz we wszystkich kierunkach. Druga siła to grawitacja , przyciąganie, które jeden obiekt wywiera na drugi. Jeśli grawitacja we wszechświecie jest wystarczająco silna, może panować w ekspansji i spowodować kurczenie się wszechświata. Jeśli nie, wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność.

Chociaż astronomowie wiedzą, że wszechświat się rozszerza, nie potrafią dokładnie ocenić siły odpowiedzialnej za ekspansję. Zamiast tego próbują zmierzyć gęstość wszechświata. Im wyższa gęstość, tym większa siła grawitacji. Stosując tę ​​logikę, musi istnieć próg gęstości – granica krytyczna – która określi, czy grawitacja we wszechświecie jest wystarczająco silna, aby zatrzymać ekspansję i zwinąć wszystko z powrotem. Jeśli gęstość jest większa niż granica krytyczna, wtedy wszechświat przestanie się rozszerzać i zacznie się kurczyć. Jeśli to mniej niż granica krytyczna, wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność. Astronomowie przedstawiają to matematycznie za pomocą następującego równania:

Ω = rzeczywista średnia gęstość/gęstość krytyczna

Jeśli omega (Ω) jest większe niż 1, wszechświat będzie zamknięty. Jeśli jest mniej niż 1, wszechświat będzie otwarty. A jeśli równa się 1, wszechświat będzie płaski. W oparciu o materię, którą widzimy, taką jak galaktyki , gwiazdy i planety, gęstość Wszechświata wydaje się być poniżej wartości krytycznej. Sugerowałoby to otwarty wszechświat, który będzie się rozszerzał w nieskończoność. Ale kosmolodzy uważają, że istnieje inny rodzaj materii, której nie można zobaczyć. Ta ciemna materia może stanowić znacznie więcej wszechświata niż zwykła, widzialna materia i może mieć wystarczającą grawitację, aby zatrzymać, a następnie odwrócić ekspansję.

Niedawno astronomowie dokonali pewnych obserwacji, które wskazują, że w kosmosie istnieje inny niewidzialny materiał: ciemna energia . Czy ciemna energia może mieć głęboki wpływ na los wszechświata?

Jesteśmy wielcy w „dużym”

Termin „wielki wybuch” powstał jako żart – uwłaczająca uwaga wygłoszona przez astronoma Freda Hoyle'a. Ale nazwa utknęła i zrodziła serię podróbek nomenklatury. Wszechświat, który rozszerza się w nieskończoność, przyniesie „wielki chłód” lub „wielkie zamrożenie”. Wszechświat, który zapada się w osobliwość i ponownie eksploduje na zewnątrz, doświadczy „wielkiego chrupnięcia”, po którym nastąpi „duże odbicie”. A wszechświat, który osiągnie równowagę i nic nie robi, stanie się „wielkim nudziarzem”.

Tak jak astronomowie zmagali się z wpływem ciemnej materii , dokonali odkrycia, które skłoniło ich do ponownego powrotu do tablicy. Odkrycie nastąpiło w 1998 roku, kiedy najlepsze na świecie teleskopy ujawniły, że supernowe typu Ia – umierające gwiazdy , które mają tę samą jasność wewnętrzną – znajdowały się dalej od naszej galaktyki , niż powinny. Aby wyjaśnić tę obserwację, astronomowie zasugerowali, że ekspansja wszechświata w rzeczywistości przyspiesza lub przyspiesza. Ale co spowodowałoby, że ekspansja poszłaby szybciej? Czy grawitacja tkwiąca w ciemnej materii nie jest wystarczająco silna, aby zapobiec takiej ekspansji?

As it turns out, there's more to the cosmic story than previously thought. Some cosmologists now think that something else -- something just as inexplicable and unobservable as dark matter -- is lurking in the universe. They sometimes refer to this invisible stuff as dark energy. Unlike gravity, which pulls on the universe and slows its expansion, dark energy pushes on the universe and works to speed up the expansion. And there's a lot of it. Astronomers estimate that the universe might be 73 percent dark energy. Dark matter, they think, makes up another 23 percent, and ordinary matter -- the stuff we can see -- makes up a paltry 4 percent [source: Brecher ]. With numbers like that and given that dark energy is an inflationary force, it's easy to see how the big crunch might never happen at all.

Interestingly, Albert Einstein predicted the existence of dark energy back in 1917 as he tried to balance the equations of his general theory of relativity. He didn't call it dark energy at the time. He referred to it as the cosmological constant and labeled it lambda in his calculations. Although he couldn't prove it, Einstein thought there must be a repulsive force in the universe to spread everything around so evenly. Eventually, he recanted, calling lambda his greatest blunder.

Teraz naukowcy zastanawiają się, czy Einstein mógł znowu mieć rację – chyba, że ​​się myli. W dalszej części przyjrzymy się, dlaczego niektórzy nadal wysoko cenią wielki kryzys i dlaczego może to nie być koniec wszechświata, ale drugi początek.

­

Najwyraźniej nie ma łatwej odpowiedzi, jeśli chodzi o przewidywanie losów wszechświata. Ale wyobraźmy sobie przez chwilę, że gęstość wszechświata przekracza wartość krytyczną wymaganą do zatrzymania ekspansji. Doprowadziłoby to do wielkiego kryzysu, który pod wieloma względami przypominałby naciśnięcie przycisku przewijania do tyłu na magnetowidzie . Gdy grawitacja we wszechświecie cofa wszystko, gromady galaktyk zbliżają się do siebie. Wtedy poszczególne galaktyki zaczęłyby się łączyć, aż po miliardach lat powstałaby jedna megagalaktyka.

Wewnątrz tego gigantycznego kotła gwiazdy stapiałyby się ze sobą, powodując, że cała przestrzeń stałaby się gorętsza niż słońce . W końcu gwiazdy eksplodowały i pojawiały się czarne dziury, najpierw powoli, a potem szybciej. Gdy zbliżał się koniec, czarne dziury wsysały wszystko wokół siebie. Nawet one w pewnym momencie połączą się, tworząc potworną czarną dziurę, która zamknie wszechświat jak worek ze sznurkiem. Na końcu nie pozostanie nic poza supergorącą, supergęstą osobliwością – zalążkiem innego wszechświata. Wielu astronomów uważa, że ​​ziarno wykiełkowałoby w „dużym odbiciu”, rozpoczynając cały proces od nowa.

To nie jedyna teoria. Kilku kosmologów, kierowanych przez Paula J. Steinhardta z Princeton University i Neila Turoka z Cambridge University, argumentowało ostatnio, że wielki chłód i wielki kryzys nie wykluczają się wzajemnie. Ich model działa tak: Wszechświat rozpoczął się wraz z Wielkim Wybuchem, po którym nastąpił okres powolnej ekspansji i stopniowej akumulacji ciemnej energii. Tu jesteśmy dzisiaj. To, co wydarzy się później, jest wysoce spekulacyjne, ale Steinhardt i Turok wierzą, że ciemna energia będzie nadal się akumulować i stymulować kosmiczne przyspieszenie. Wszechświat nigdy nie przestanie się rozszerzać, ale rozciągnie się na biliony lat, rozciągając całą materię i energię do takiego ekstremum, że nasz jeden wszechświat zostanie podzielony na wiele wszechświatów. Wewnątrz tych wszechświatów tajemnicza ciemna energia zmaterializuje się w normalną materię i promieniowanie. To wywoła kolejny wielki wybuch – być może kilka z nich – i kolejny cykl ekspansji.

Jeśli jesteś zakłopotany całą tą gadaniną o zgniataniu i rozszerzaniu, możesz pocieszyć się wiedząc, że los wszechświata nie zostanie określony za miliardy, a może nawet biliony lat. To daje mnóstwo czasu na skupienie się na rzeczach, które są nieco bardziej pewne, takich jak własny cykl życia narodzin, wzrostu i śmierci.

Pierwotnie opublikowany: 2 marca 2009 r.

Jakie są trzy możliwe losy wszechświata?

Dużo więcej informacji