Величезні простори Всесвіту – те, що багатьом людям важко зрозуміти. Уявити собі космос у поєднанні з величезною кількістю часу, що минуло і ще мине, майже непереборне.
Як розуміються ці категорії? Майже одразу стикаєшся з деякими досить складними питаннями: як може існувати нескінченний простір? Як виник Всесвіт? І що ще важливіше: чим усе закінчиться?
Хоча кінець Всесвіту, який ми його знаємо, все ще незрозумілий, є чотири теорії, покликані наблизити нас до розуміння неминучості:
- теплова смерть,
- Великий вибух,
- Великий розрив
- Вакуумний розпад.
Шлях до розуміння долі Всесвіту починається з Альберта Ейнштейна. Творець теорії відносності вважав, що гравітація працює проти загальноприйнятої ідеї статичного Всесвіту, який був широко прийнятий у його час.
Він думав, що сила гравітації змушує матеріальний світ звужуватися. Проте експерименти та спостереження не підтвердили цієї точки зору.
Тому він дійшов висновку, що має існувати якась відразлива сила, що протидіє космологічній постійній. Однак у 1929 році Едвін Хаббл вивів закономірність, згідно з якою швидкість галактик, що розбігаються, видиме через червоне зміщення, прямо пропорційно відстані між ними.
З погляду загальної теорії відносності, глобальні космічні процеси зводяться до розширення тканини простору-часу. Тобто Всесвіт постійно розширюється. А значить усі розмови про космологічну постійну – безглузді.
Але якщо Всесвіт розширюється, настане момент, коли розширення закінчиться.
Поки що галактики дедалі більше віддаляються одна від одної. Але в міру «розтягу» часу, – у бік нескінченності, – навколишній світ почне остигати. Зірки згорять, а “інгредієнти”, необхідні для утворення нових світил, розсіються настільки, що зіркоутворення припиняється.
Всі вогні потьмяніють, і нічне небо потемніє (і вдень, якщо вже на те пішло). У Всесвіті більше не буде життя, нічому виникатиме, оскільки він наблизиться до “мінімальної температури та максимальної ентропії”.
Ось тоді й настане реальний стаціонарний стан – тотальний стан низької, розсіяної енергії. Згаслі системи не отримають додаткової енергії навіть для механічної роботи. І, згідно з другим законом термодинаміки, настане теплова смерть.
Але такий сценарій – не єдиний спосіб загибелі Всесвіту, що розширюється. Перенесімось в 1998, коли телескоп Хаббл виявив, що юна матерія прискорювалася повільніше.
Висновок було зроблено з урахуванням даних, отриманих завдяки спостереженню яскравістю далеких і старих (нових -?) наднових.
Отже, нині Всесвіт розширюється з більшою швидкістю. Добре… але як? Якщо гравітація притягує, що змушує речі відштовхуватися? І як речі відштовхуються все швидше та швидше?
Вчені пішли примітивним шляхом і вигадали нову сутність – темну енергію. Вважається, що вона становить близько 70% маси Всесвіту.
Відповідно до теорії, вона є невід’ємною властивістю порожнього простору. Інакше кажучи, Ейнштейн мав рацію і цього разу.
Але… темна енергія не піддається прямому спостереженню. Математика, що доводить її існування, тільки передбачає, що в міру розширення простору з’являється все більше порожнеч, які заповнюються галактиками.
Поки що – математично, а не фізично – ТЕ накопичується у цих величезних просторах, змушуючи Всесвіт розширюватися все швидше та швидше.
Математична еквілібристика передбачає, що якщо щільність темної енергії стане досить великою, то прискорення продовжуватиметься доти, доки зіркові системи, планети та атоми не будуть нею розірвані. Включно з тканиною простору-часу. Описане явище отримало назву «Великий розрив».
Але є й інше пророцтво – зовсім протилежне. Начебто Великий розрив відбудеться, якщо гравітація зупинить розширення і вся матерія знову «схлопнеться» в одну точку.
Галактики, зіштовхуючись, знищать планети та зірки. Подібне стиснення призведе до екстремальної щільності та температур.
І тут з’являється ще одна математична сутність – темна матерія, про яку ми нічого не знаємо, але в існуванні якої ми віримо нероздільно. Адже досить сказати, що ми не спостерігаємо її безпосередньо, ми нібито бачимо наслідки її існування; ми впевнені в її буттєвості, тому що наші розрахунки та математичні моделі некомпетентні. І цю некомпетентність, тобто нездатність визначити масу астрономічного об’єкта та розрахувати його гравітацію, ми трактуємо як трансцендентну силу, яка утримує разом усі галактики.
Єдиний зв’язок між ТМ та ТЕ полягає в тому, що ми не спостерігаємо обидва «явлення». Зате теоретично, коли вся матерія хлопається в одну точку, вона миттєво вибухає і розширюється, відтворюючи космос.
Таким чином, Великий вибух – це лише епізод у нескінченному циклі екстремального розширення та стиснення. Великий стрибок, таким чином, не прирікає Всесвіт абсолютну загибель.
Четверте та останнє пророцтво кінця Всесвіту – так званий вакуумний розпад.
Перше, що вам потрібно знати про цей сценарій, – вакуум у даному контексті означає не порожній простір, а швидше стан найменшої потенційної енергії.
Для початку розглянемо поле Хіггса (ще одна математична модель, що стала фізичною реальністю). Це енергетичне поле, яке відповідає за надання маси нашому Всесвіту.
Що відбувається, коли частка взаємодіє із полем? Вона набуває маси, але натомість втрачає здатність рухатися зі швидкістю світла. (як вона рухалася без маси, яка у квантовому світі сама є енергією? але це таке, не має значення).
Основна ідея, пов’язана з вакуумним розпадом, полягає в тому, що поле Хіггса, як вважається, знаходиться в стабільному стані потенційної енергії, але це не стабільний стан.
Як видно на малюнку, поле Хіггса може знаходитись у провалі (праворуч), який є мінімумом, але не найнижчим. Воно має більшу потенційну енергію, ніж його ліва «половинка».
Чим нижча потенційна енергія, тим стабільнішим і, отже, сприятливішим є стан.
Отже, поле Хіггса прагнути потенційної рівноваги. Але як його досягти? Або через подію екстраординарної енергетичності, або через квантовий тунель.
Останнє може статися за принципом невизначеності Ґейзенберга; частка бозона Хіггса спонтанно переміщається з одного заглиблення та потрапляє до іншого. В результаті створюється “міхур” більш сприятливого енергетичного стану. Хоча існує ймовірність того, що він зникне назад, є й інша ймовірність, що він також може розширюватися.
Так буде продовжуватися доти, доки матерія-вакуум не досягне швидкості світла. За такої зміни енергетичного стану правила Всесвіту, закони фізики та навіть хімії будуть повністю переписані.
Взаємодії між полями та частинками стануть невпізнанними. У міру розширення вакуумного міхура він анігілюватиме все на своєму шляху. Ми просто перестанемо існувати.
Хоча всі чотири сценарії передбачають абсолютно різні фізичні процеси, є й загальна тема: смерть неминуча.
Так, все описане – лише припущення, але в міру наукового прогресу та отримання нових знань вони стають все більш відчутними.
Проблема лише у фальсифікації теорій. Але тут виникає філософське питання: як можна перевірити неперевірену, особливо експериментально, теорію?