Космологи с увлечением говорят о Большом взрыве и о том, что происходило в прошлом; но о будущем тоже можно рассуждать на основе известных законов физики. Кэти Мак — космолог, пишет книгу о возможных концах Вселенной. Возможные сценарии включают Большое сжатие, возможный Большой отскок, постепенное остывание и резкий фазовый переход, иногда называемый «пузырём квантовой смерти».
Кэтрин (Кэти) Мак получила степень PhD по физике в Принстоне. Работая ассистентом-профессором в Университете штата Северная Каролина, она занималась теоретической космологией, в том числе тёмной материей и чёрными дырами. Она участвует в университетской программе по взаимодействию науки и общества, пишет книгу о конце Вселенной.
Вступление: Вселенная не обязательно вечна
Когда речь идёт о конце Вселенной, это не обязательно означает мгновенное исчезновение всего в буквальном смысле. Конец может означать такие изменения, при которых жизнь и привычные процессы станут невозможны, или же постепенное угасание активности вселенной. Рассматриваются и драматические варианты, и сценарии медленного затухания.
Масштабы Вселенной и смысл Большого взрыва
Возраст Вселенной — порядка 13,8 миллиарда лет, и наблюдаемая её часть имеет радиус примерно 46 миллиардов световых лет: это связано с тем, что Вселенная расширялась, пока свет шёл до нас. Понятие «Большой взрыв» в популярном представлении отличается от физического: у физиков под этим обычно понимают горячее, плотное состояние в раннем прошлом Вселенной, а не взрыв «из точки». Мы наблюдаем реликтовое излучение, отражающее состояние Вселенной через несколько сотен тысяч лет после того горячего периода.
Есть модели, предполагающие инфляцию — короткий этап сверхбыстрого расширения в очень ранней эпохе — но о самых первых моментах мы знаем значительно меньше. Тем не менее комбинация наблюдений космического микроволнового фонового излучения, данных о первичном нуклеосинтезе и результатов экспериментов на ускорителях даёт согласованную картину ранних стадий: существовали горячие плотные фазы, из которых затем развилась наблюдаемая Вселенная.
Ускоренное расширение и тёмная энергия
Ключевая современная загадка — ускоренное расширение Вселенной. Наблюдения показывают, что в прошлом расширение замедлялось, а затем стало ускоряться. Такое поведение можно описать, вернув в уравнения общей теории относительности особый член — космологическую постоянную, или рассматривать иные варианты «тёмной энергии», которые могут меняться во времени. От свойств этой компоненты зависит долгосрочная судьба Вселенной.
Если тёмная энергия представляет собой истинно постоянную величину (космологическую постоянную), то расширение будет продолжаться и Вселенная будет постепенно остывать: галактики станут удаляться друг от друга, процессы замедлятся, вселенская среда станет всё более холодной и разрежённой. Если же тёмная энергия динамична и её свойства меняются, возможны и иные варианты развития.
Основные сценарии будущего Вселенной
1) Постепенное остывание. При бесконечном ускоряющемся расширении пространства уровни энергии будут падать, значимые процессы замедлятся, и со временем Вселенная станет холодной и тёмной. Это классический «холодный финал».
2) Большое сжатие и отскок. Если суммарное гравитационное притяжение превысит растяжение, расширение может смениться сжатием, завершающимся коллапсом. В некоторых моделях возможен последующий «отскок», приводящий к новому циклу расширения.
3) Фазовый переход («пузырь квантовой смерти»). В квантовых полях вакуум может находиться в метастабильном состоянии; при переходе в более стабильное состояние могут всплыть локальные «пузыри» новой фазы, которые будут распространяться и изменять структуры и законы в пределах своего влияния. Такой процесс носит крайне драматический характер для тех областей, куда он придёт.
4) Другие варианты, зависящие от неизвестной физики. Существуют и более экзотические сценарии, зависящие от того, как именно взаимодействуют общая теория относительности и квантовая механика, от свойств тёмной материи и возможных новых полей.
Что из этого наиболее вероятно?
Ответ зависит от свойств тёмной энергии и от того, найдутся ли новые физические эффекты при очень высоких энергиях или на очень больших масштабах. Наблюдения указывают на ускоряющееся расширение, но вопрос о том, постоянна ли соответствующая энергетическая компонента или меняется со временем, остаётся открытым. Решение этой задачи важно, потому что от него напрямую зависит, продолжит ли Вселенная расширяться вечно и остывать, либо возможны иные, более драматичные финалы.
Заключение
Современная космология располагает инструментами и наблюдениями, позволяющими очертить круг правдоподобных сценариев будущего Вселенной. Однако окончательный ответ требует уточнения природы тёмной энергии и лучшего понимания взаимодействия гравитации с квантовой физикой. Пока такие вопросы остаются предметом активных исследований и обсуждений.
