Судьбы мироздания: варианты армагеддона

      Комментарии к записи Судьбы мироздания: варианты армагеддона отключены

Судьбы мироздания: варианты армагеддона

Дюжина лет назад в космологии господствовали две модели эволюции космоса, основанные на неспециализированной теории относительности (ОТО). В открытой модели Вселенная расширяется всегда, но скорость ее расширения монотонно уменьшается и пытается к хорошему пределу. В закрытой модели расширение сменяется сжатием. Все зависит от того, будет ли в начале процесса расширения средняя плотность энергии космической материи больше либо меньше некого критического значения.

Астрономические эти привели ученых к выводу, что в сумме средняя энергетическая плотность всех излучения и известных видов вещества и гипотетической чёрной материи образовывает всего 30% от критического показателя.

Но во второй половине 90-ых годов двадцатого века наблюдения за весьма далекими сверхновыми привели астрологов к выводу, что скорость расширения Вселенной не падает, а, напротив, возрастает! Такая возможность раньше рассматривалась только чисто теоретически. на данный момент принято вычислять, что отношение полной плотности энергии к критическому значению только чуть-чуть меньше единицы.

Для подсчета данной полной плотности нужно добавить еще одно слагаемое, энергию вакуума (ее кроме этого именуют чёрной энергией). Эта энергия противостоит силе тяготения и, следовательно, приводит к расширению пространства. По последним данным, она не игралась значительной роли в течение первой половины судьбы Вселенной, но около шести миллиардов лет назад по непонятной обстоятельству включилась в работу.

Дабы вакуум действовал как антигравитатор, плотность его энергии должна быть хорошей. Наблюдение за дальними сверхновыми продемонстрировало, что Вселенная активизирует собственный расширение весьма медлительно. Это указывает, что плотность энергии вакуума все же мала.

В случае если такая обстановка сохранится и в будущем, то Вселенная до скончания времени будет расширяться с весьма плавным ускорением. Данный сценарий (с чёрной энергией либо без нее) именуют Громадной заморозкой (Big Freeze).

Но имеется и альтернатива — в случае если чёрная энергия соберёт силу, темпы расширения быстро возрастут и Вселенная практически взорвется, причем за относительно маленькое время. Данный вариант именуется Громадным разрывом (Big Rip).

Холодные похороны

Самый детально «морозильный» сценарий создали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин именно незадолго до открытия ускоренного расширения Вселенной — во второй половине 90-ых годов двадцатого века. Они делали собственные вычисления на базе стандартной открытой модели не учитывая энергии вакуума. В соответствии с их модели, история отечественной Вселенной насчитывает четыре эры.

Звездная эра началась через сотню миллионов лет по окончании Громадного взрыва.

Во Вселенной начали появляться первые звезды и началась интенсивная генерация энергии за счет термоядерного синтеза в звездных недрах. Эти процессы длятся и по сей день, но Адамс и Лафлин вычислили, что звездообразование закончится, в то время, когда Вселенной исполнится 1014 лет. К этому времени в космическом пространстве больше не останется свободного водорода, талантливого стягиваться гравитацией в газо-пылевые тучи, дающие начало новым звездам.

Тогда же закончатся и ядерные реакции в самых легких (0,08−0,3 массы Солнца) и потому долгоживущих звездах, красных карликах. Все другие светила еще раньше исчерпают термоядерное горючее. Звезды с массой до 8−12 солнечных весов закончат собственный существование остывающими белыми карликами, на месте более тяжелых светил (до 25−30 весов Солнца) появятся нейтронные звезды, а звезды-сверхгиганты дадут начало черным дырам.

Звездная эра закончится.

Эра вырождения охватывает промежуток 1015−1037 лет.

От блиставших некогда термоядерных светил остались белые и нейтронные звёзды карлики. Имеется еще «несостоявшиеся» звезды — коричневые карлики, водородные тела с массой от 10 до 80 весов Юпитера (0,01−0,08 массы Солнца). Они через чур легки для поджога термоядерной реакции, но нагревают собственную поверхность до шести-семи сотен градусов за счет гравитационного сжатия. Наличествуют кроме этого планеты, планетоиды и другая космическая мелочь.

И само собой разумеется, копятся черные дыры. Дыры-супергиганты, каковые в звездную эру сформировались в активных ядрах большинства галактик, глотают вещество и увеличивать размеры и массу. К ним добавляются дыры звездных масштабов, наследницы самых массивных светил. Случается, что дыры сливаются между собой и с нейтронными звездами и еще больше распухают.

Потом прогноз делается менее определенным. Как мы знаем, свободные нейтроны скоро распадаются на протоны, электроны и антинейтрино (бета-распад), а потому выживают или в составе ядер атома, или в сверхплотных нейтронных звезд. Протоны также не вечны, так сейчас вычисляют большая часть физиков. Период их полураспада до тех пор пока точно не выяснен, но, по оценкам, он превышает 1032 лет. Адамс и Лафлин заложили в собственную модель куда большее значение — 1037 лет.

Это указывает, что к концу эры вырождения распадется каждый второй из 1078 протонов, появившихся по окончании Громадного взрыва. Распад протона может осуществляться различными дорогами, но все же господствует канал с образованием нейтрального пи-позитрона и мезона. Первая частица преобразовывается в два высокоэнергетичных фотона, а вторая делает то же самое по окончании аннигиляции с электроном. Так, один протон дает начало четырем гамма-квантам.

Следовательно, в конце эры вырождения простое вещество в составе планет и белых карликов начнет преобразовываться в излучение. Исчезновение протонов сулит смерть и нейтронным звездам. Они покрыты коркой простого вещества, которое испарится при протонном распаде. На оголенной поверхности звезды плотность нейтронной материи довольно мала, и нейтроны начинают исчезать в бета-распадах.

Финал все тот же — вещество дает начало излучению.

Эра черных дыр приходится на промежуток 1038−10100 лет.

Сейчас провалятся сквозь землю фактически все барионы (нейтроны и протоны), и единственными макрообъектами Вселенной останутся черные дыры. Но и они неспешно испарятся в излучение и провалятся сквозь землю во взрывах (см. статью «Необычная история черных дыр»). Супермассивная дыра, успевшая заглотить большую галактику (порядка ста миллиардов солнечных весов), может протянуть не более 1098 лет.

Так что к концу данной эры дыры фактически провалятся сквозь землю.

Чёрная эра наступит, в то время, когда возраст мироздания превысит 10100 лет.

Из прежнего достатка материи останутся только кванты электромагнитного излучения практически нулевой температуры и стабильные лептоны (нейтрино, позитроны и электроны). Кое-какие позитроны и электроны образуют связанные пары (атомы позитрония), поперечник которых может составлять триллионы световых лет. Эти частицы будут сближаться по спирали и в итоге также аннигилируют (через 10141 лет).

Оставшиеся в неимоверно разбухшем космосе позитроны и свободные электроны видеться не будут, а посему и не провалятся сквозь землю. Это и имеется космологическая тепловая смерть в самом чистом виде.

Оправдается ли данный прогноз, сделанный во второй половине 90-ых годов двадцатого века? «Я полагаю, что сценарий Громадной заморозки в полной мере убедителен до сих пор, — говорит «Популярной механике» доктор наук Мичиганского университета Фред Адамс. — Сейчас мы знаем, что Вселенная расширяется с маленьким ускорением. Это указывает, что космическое пространство опустеет стремительнее, нежели в отечественных расчетах, но в остальном мало что изменится».

Доктор наук Калифорнийского университета Грегори Лафлин додаёт: «Космологическая тепловая смерть все же не свидетельствует безграничного охлаждения. Девять лет назад мы думали, что температура Вселенной будет стремиться к полному нулю. Но сравнительно не так давно было продемонстрировано, что благодаря ненулевой энергии вакуума температура реликтовых фотонов при любом расширении пространства не упадет ниже 10−27 К».

Гравитационная разрыв-трава

Сценарии Громадного разрыва разглядывают В первую очередь 1980-х годов. самый экзотический из них в 2003 году внесли предложение Роберт Калдвелл, Марк Камионковски и Невин Вейнберг. В соответствии с их моделью, все возрастающее повышение чёрной энергии приведет к мировому антиколлапсу.

Ожидать этого не так уж и продолжительно — всего 20 миллиардов лет. За миллиард лет до этого срока скорость расширения пространства возрастет до таковой степени, что кластеры галактик утратят всякую устойчивость и начнут разрушаться. Распад Млечного Пути начнется за 60 миллионов лет до рокового финала.

За три месяца до него послесолнечный белый карлик не сможет удерживать оставшиеся планеты, и меньше чем за час расширяющееся пространство порвёт и их. А после этого придет очередь пылевых частиц, атомов, ядер атома а также нейтронов и протонов, каковые распадутся на глюоны и кварки. Это-то и будет настоящим финишем света.

Смертельный пузырек

Не все модели эволюции Вселенной относят ее смерть в далекое будущее. Существует сценарий, в соответствии с которому финал может наступить кроме того на следующий день. В первый раз он был предложен столичными физиками М.Б. Волошиным, И.Ю.

Кобзаревым и Л.Б. Окунем в 1975 году, но в их работе находились неточности. Спустя пять лет американцы Сидни Коулман и Фрэнк Де Луччиа уточнили данный сценарий.

В то время считалось, что вакуум отечественного мира, вероятнее, есть подлинным (см. врезку) и владеет нулевой энергией. Коулман и Де Луччиа, наоборот, высказали предположение, что отечественный вакуум фальшивый, другими словами находится в очень долгоживущем (как говорят физики, метастабильном) возбужденном состоянии с хорошей энергией. Они продемонстрировали, что механизм квантового туннелирования делает вероятным спонтанное превращение фальшивого вакуума в подлинный в маленькой области пространства.

Появившийся пузырек подлинного вакуума начнёт расширяться, порождая в себя материю с полностью новыми физическими особенностями и всецело уничтожая отечественный фальшиво-вакуумный мир. Где бы таковой пузырь ни появился, до нас он доберется со скоростью света и, следовательно, без всякого предупреждения.

Аналог этого сценария появляется и в новейшей версии квантовой гравитации, основанной на теории суперструн. «Эта теория кроме этого предполагает, что вакуум метастабилен. Он может туннелировать в состояние с нулевой плотностью энергии, но может произойти и без того, что эта плотность окажется отрицательной. В первом случае отечественный мир получит еще шесть пространственных измерений, другими словами пространство-время станет уже не четырехмерным, а десятимерным.

Очевидно, это будет мир с совсем второй физикой, мы в том месте не выживем. Второй вариант похуже. В случае если плотность вакуумной энергии где-то упадет ниже нуля, космос будет поглощен пузырем общего коллапса, расширяющимся со скоростью света, — растолковывает доктор наук Стэнфордского университета Андрей Линде. — Коулман и Де Луччиа допускали последнюю возможность, но не принимали ее действительно.

В последних числах Мая мы с сотрудниками опубликовали расчеты, которые показывают, что данный вариант нельзя сбрасывать со квитанций. Но он не свидетельствует финиша всей Мультивселенной, потому, что в ней будут оказаться новые миры, рожденные космической инфляцией. Так что мироздание как целое все же бессмертно».

Стягивающийся космос

Закрытые модели мироздания не отличаются особенным разнообразием. Вселенная еще какое-то время будет расширяться, в силу чего температура реликтового космического излучения (которая на данный момент равна 2,7 К) продолжит падать. Потом такое расширение сменится сжатием, скорость которого будет непрерывно возрастать.

Галактики начнут сближаться, температура реликтовых фотонов возрастет, пространство-время будет искривляться все посильнее и посильнее, и в итоге мироздание провалится сквозь землю в квантовой сингулярности. Практически, это Громадный взрыв с обратным знаком.

на данный момент плотность космической энергии меньше критической, и данный сценарий помой-му не имеет шансов на реализацию. Но из некоторых квантовых теорий гравитации направляться, что в будущем чёрная энергия может поменять символ и начать трудиться не на расширение, а на сжатие пространства. В этом случае коллапс мироздания может стать действительностью.

Любопытно, что в соответствии с кое-каким расчетам его нужно будет ожидать приблизительно столько же, сколько и Громадного разрыва — 10−20 миллиардов лет.

Вселенские маятники

Существуют сценарии циклически пульсирующего мироздания, многократно рождающегося из сингулярностей, претерпевающего сжатие и расширение и снова гибнущего в коллапсе — этакий вселенский маятник, качающийся из стороны в сторону, с неспешно затухающими колебаниями. В 2005 году такую модель с циклами длительностью порядка триллиона лет внесли предложение американец Пол Стейнхардт из Принстонского университета и его английский сотрудник Нейл Тьюрок из Кембриджа.

В их сценарии от колебания к колебанию вакуум многократно переходит на все более низкие энергетические уровни, что и является причиной катаклизмов. Эта модель хороша тем, что может растолковать то, что не растолковывают другие модели, к примеру, что было до Громадного взрыва. Но в итоге у Вселенной, как у пружинных часов, « завод» — плотность вакуумной энергии достигает подлинного минимума, и вот тогда Вселенная коллапсирует окончательно и бесповоротно.

Но, ожидать этого придется весьма долго.

Вакуум: фальшивка и оригинал

По простым представлениям, вакуум — это легко отсутствие чего бы то ни было, другими словами простая пустота. Но это бытовое определение не подходит ученым, изучающим квантовую теорию поля. Физики уверены в том, что вакуум — не полная пустота, а очень сложная динамическая совокупность с множеством степеней свободы. В нем отсутствуют настоящие частицы, но (в силу квантовых соотношений неопределенностей) всегда рождаются и исчезают их виртуальные аналоги.

В случае если вакуум пребывает в состоянии с минимально вероятной энергией, его именуют подлинным. Но вакуум может владеть и возбужденными состояниями с более высокими значениями энергии. Таковой вакуум именуют фальшивым.

Кстати, теория инфляционного расширения новорожденной Вселенной именно исходит из того, что на данной стадии энергия фальшивого вакуума была очень высока.

Прав ли классик?

152 года назад 33-летний доктор наук Кенигсбергского университета Герман Гельмгольц разместил статью «О сохранении природных сил», содержащую один из самых пессимистических прогнозов за всю историю науки. Он исходил из снаружи несложного постулата, сформулированного четырьмя годами ранее Рудольфом Клаузиусом: тепло ни при каких обстоятельствах само по себе не переходит от холодного тела к нагретому (исторически это было первой формулировкой второго закона термодинамики).

Гельмгольц заключил , что температуры разных участков космического пространства со временем сравняются и все макроскопические процессы навеки закончатся. Это невеселое предсказание стало называться «догадки тепловой смерти Вселенной».

Догадку тепловой смерти неоднократно опровергали, подтверждали и снова опровергали. Сейчас практически все космологи согласны, что отечественное мироздание появилось как резуль-тат Громадного взрыва сверхмикроскопического (не более 10&на данный момент;33 см в поперечнике) пузырька первичной квантовой «пены», о природе которой мало что известно.

Сперва размеры Вселенной удваивались приблизительно каждые 10−34 секунды (эта стадия именуется инфляционной), но по окончании одной-двух сотен таких единиц времени стали расти существенно медленней. Затем акта рождения прошло около 14 миллиардов лет, и все это время Вселенная непрерывно возрастала.

Сперва материя отличалась высокой степенью однородности, а после этого под действием гравитации начала стягиваться в упорядоченные космические структуры (звезды, галактики, скопления галактик, планеты). Расширяющаяся Вселенная не имеет возможности перейти в термодинамически равновесное состояние с всецело выравненной температурой. Так что хорошая модель тепловой смерти выглядит очевидно ошибочной.

Но допустим, что в весьма далеком будущем космос будет заполнен одним только электромагнитным излучением и одиночными стабильными частицами, существенно отдаленными друг от друга и не взаимодействующими между собой. Из-за разбухания Вселенной это излучение начнёт распределяться по все возрастающему количеству и исходя из этого охлаждаться.

Формально такое состояние (его принято именовать космологической тепловой смертью) не тождественно прогнозу Гельмгольца, но практически очень сильно на него похоже. Многие сценарии эволюции расширяющейся Вселенной имеют как раз таковой финал. Так что по существу классик был прав.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№47, сентябрь 2006).

Армагеддон,конец света,потоп,Второе пришествие и новые знания!


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: