Сценарии за бъдещето на Вселената. Еволюция на Вселената, нейните различни модели

Бъдещето на Вселената е въпрос, разглеждан в рамките на физическата космология. Различни научни теории предричат ​​много възможни бъдещи варианти, сред които има мнения както за унищожението, така и за безкрайния живот на Вселената.

След като теорията за създаването на Вселената чрез Големия взрив и нейното последващо бързо разширяване беше приета от повечето учени, бъдещето на Вселената стана въпрос на космология, разглеждан от различни гледни точки в зависимост от физическите свойства на Вселената: неговата маса и енергия, средна плътност и скорост на разширение.

Вселената продължава своята еволюция днес, тъй като нейните части се развиват. Времето на тази еволюция за всеки тип обект се различава с повече от един порядък. И когато животът на обекти от един тип свършва, тогава за други всичко едва започва. Това ни позволява да разделим еволюцията на Вселената на епохи. Окончателната форма на еволюционната верига обаче зависи от скоростта и ускорението на разширяването: при еднаква или почти еднаква скорост на разширяване всички етапи на еволюцията ще бъдат завършени и всички енергийни резерви ще бъдат изчерпани. Този вариант на развитие се нарича топлинна смърт.

Ако скоростта продължи да се увеличава, тогава, започвайки от определен момент, силата, разширяваща Вселената, първо ще надхвърли гравитационните сили, които държат галактиките в клъстери. Зад тях ще се разпаднат галактики и звездни купове. И накрая, най-тясно свързаните звездни системи ще се разпаднат последни. След известно време електромагнитните сили няма да могат да предпазят планетите и по-малките обекти от разпадане. Светът отново ще съществува под формата на отделни атоми. На следващия етап отделните атоми също ще се разпаднат. Невъзможно е да се каже точно какво ще последва след това: на този етап съвременната физика спира да работи.

Горният сценарий е сценарият Big Rip.

Съществува и обратният сценарий - Big Crunch. Ако разширяването на Вселената се забави, то в бъдеще ще спре и ще започне компресия. Еволюцията и външният вид на Вселената ще се определят от космологичните епохи, докато нейният радиус стане пет пъти по-малък от съвременния. Тогава всички клъстери във Вселената ще образуват един мегакластер, но галактиките няма да загубят своята индивидуалност: в тях все още ще се случва раждането на звезди, ще пламнат свръхнови и вероятно ще се развие биологичен живот. Всичко това ще свърши, когато Вселената се свие още 20 пъти и стане 100 пъти по-малка, отколкото е сега; в този момент Вселената ще бъде една огромна галактика.

Температурата на реликтния фон ще достигне 274 K и ледовете на земните планети ще започнат да се топят. По-нататъшното компресиране ще доведе до факта, че излъчването на космическия микровълнов фон ще затъмни дори централното светило на планетарната система, изгаряйки последните издънки на живота на планетите. И скоро след това самите звезди и планети ще се изпарят или ще бъдат разкъсани на парчета. Състоянието на Вселената ще бъде подобно на това, което е било в първите моменти от нейното възникване. По-нататъшните събития ще приличат на тези, които са се случили в началото, но се повтарят в обратен ред: атомите се разпадат на атомни ядра и електрони, радиацията започва да доминира, след това атомните ядра започват да се разпадат на протони и неутрони, след това самите протони и неутрони се разпадат на отделни кварки, се извършва голямо обединение. В този момент, както и в момента на Големия взрив, известните ни закони на физиката спират да работят и е невъзможно да се предскаже бъдещата съдба на Вселената.

Космологични епохи
Нека въведем понятието космологично десетилетие (η) като десетичен показател на възрастта на Вселената в години:

Ерата на звездите (6) Това е време без никакви източници на енергия. Запазени са само остатъчни продукти от всички процеси, протичащи през последните десетилетия: фотони с огромна дължина на вълната, неутрино, електрони и позитрони. Температурата бързо се доближава до абсолютната нула. От време на време позитроните и електроните образуват нестабилни позитрониеви атоми, тяхната дългосрочна съдба е пълно унищожение.

В научния свят е общоприето, че Вселената е възникнала в резултат на Големия взрив. Тази теория се основава на факта, че енергията и материята (основите на всички неща) преди това са били в състояние на сингулярност. Тя от своя страна се характеризира с безкрайност на температурата, плътността и налягането. Самото състояние на сингулярност отхвърля всички закони на физиката, известни на съвременния свят. Учените смятат, че Вселената е възникнала от микроскопична частица, която по все още неизвестни причини е изпаднала в нестабилно състояние в далечното минало и е избухнала.

Терминът „Големият взрив“ започва да се използва през 1949 г. след публикуването на трудовете на учения Ф. Хойл в научно-популярни издания. Днес теорията за „динамично развиващия се модел“ е толкова добре развита, че физиците могат да опишат процесите, протичащи във Вселената в рамките на 10 секунди след експлозията на микроскопична частица, която постави основата на всички неща.

Има няколко доказателства за теорията. Един от основните е космическото микровълново фоново лъчение, което прониква в цялата Вселена. Той би могъл да възникне, според съвременните учени, само в резултат на Големия взрив, поради взаимодействието на микроскопични частици. Това е реликтовото излъчване, което ни позволява да научим за онези времена, когато Вселената е била като горящо пространство и не е имало звезди, планети и самата галактика. Второто доказателство за раждането на всички неща от Големия взрив се счита за космологичното червено изместване, което се състои в намаляване на честотата на излъчване. Това потвърждава премахването на звездите и галактиките от Млечния път в частност и една от друга като цяло. Тоест, това показва, че Вселената се е разширявала по-рано и продължава да го прави и до днес.

Кратка история на Вселената

• 10 -45 - 10 -37 сек- инфлационна експанзия


• 10 -6 сек- поява на кварки и електрони


• 10 -5 сек- образуване на протони и неутрони


• 10 -4 сек - 3 мин- поява на ядра на деутерий, хелий и литий


• 400 хиляди години- образуване на атоми


• 15 милиона години- продължаващо разширяване на газовия облак


• 1 милиард години- раждането на първите звезди и галактики


• 10-15 милиарда години- появата на планети и интелигентен живот


• 10 14 милиарда години- спиране на процеса на раждане на звезди


• 10 37 милиарда години- енергийно изчерпване на всички звезди


• 10 40 милиарда години- изпаряване на черни дупки и раждане на елементарни частици


• 10 100 милиарда години- завършване на изпарението на всички черни дупки

Теорията за Големия взрив е истински пробив в науката. Това позволи на учените да отговорят на много въпроси относно раждането на Вселената. Но в същото време тази теория породи нови мистерии. Основната е причината за самия Големия взрив. Вторият въпрос, на който съвременната наука няма отговор, е как са се появили пространството и времето. Според някои изследователи те са се родили заедно с материята и енергията. Тоест те са резултат от Големия взрив. Но тогава се оказва, че времето и пространството трябва да имат някакво начало. Тоест определена същност, постоянно съществуваща и независима от своите индикатори, може да е инициирала процесите на нестабилност в микроскопичната частица, която е родила Вселената.

Колкото повече изследвания се провеждат в тази посока, толкова повече въпроси възникват пред астрофизиците. Отговорите на тях очакват човечеството в бъдещето.

Въпросът за произхода на Вселената с всичките й известни и все още неизвестни свойства вълнува хората от незапомнени времена. Но едва през 20-ти век, след откриването на космологичното разширение, въпросът за еволюцията на Вселената започва постепенно да се изяснява. Последните научни данни доведоха до заключението, че нашата Вселена е родена преди 15 милиарда години в резултат на Големия взрив. Но какво точно е избухнало в този момент и какво всъщност е съществувало преди Големия взрив, все още остава загадка. Инфлационната теория за появата на нашия свят, създадена в края на 20-ти век, направи възможно постигането на значителен напредък в разрешаването на тези въпроси и общата картина на първите моменти на Вселената вече е добре начертана, въпреки че много проблеми все още чакат своето време.

Научен възглед за сътворението на света

До началото на миналия век имаше само две гледни точки за произхода на нашата Вселена. Учените вярваха, че е вечен и непроменлив, а теолозите казваха, че светът е създаден и ще има край. Двадесети век, унищожил голяма част от създаденото през предходните хилядолетия, успя да даде своите отговори на повечето от въпросите, занимавали умовете на учените от миналото. И може би едно от най-големите постижения на миналия век е изясняването на въпроса как е възникнала Вселената, в която живеем и какви хипотези съществуват за нейното бъдеще.

Един прост астрономически факт - разширяването на нашата Вселена - доведе до пълна ревизия на всички космогонични концепции и развитието на нова физика - физиката на възникващите и изчезващите светове. Само преди 70 години Едуин Хъбъл откри, че светлината от по-далечни галактики е „по-червена“ от светлината от по-близките. Освен това скоростта на рецесията се оказа пропорционална на разстоянието от Земята (законът за разширяване на Хъбъл). Това беше открито благодарение на ефекта на Доплер (зависимостта на дължината на вълната на светлината от скоростта на светлинния източник). Тъй като по-далечните галактики изглеждат по-„червени“, се предполага, че се отдалечават с по-голяма скорост. Между другото, не се разпръскват звезди или дори отделни галактики, а купове от галактики. Най-близките до нас звезди и галактики са свързани помежду си чрез гравитационни сили и образуват стабилни структури. Освен това, в която и посока да погледнете, клъстерите от галактики се отдалечават от Земята с еднаква скорост и може да изглежда, че нашата Галактика е центърът на Вселената, но това не е така. Където и да е наблюдателят, навсякъде ще вижда една и съща картина – всички галактики се разпръсват от него.

Но такова разширяване на материята трябва да има начало. Това означава, че всички галактики трябва да са се родили в един момент. Изчисленията показват, че това се е случило преди приблизително 15 милиарда години. В момента на такава експлозия температурата е била много висока и е трябвало да се появят много светлинни кванти. Разбира се, с течение на времето всичко се охлажда и квантите се разпръскват из нововъзникващото пространство, но ехото от Големия взрив трябваше да оцелее и до днес.

Първото потвърждение за експлозията идва през 1964 г., когато американските радиоастрономи Р. Уилсън и А. Пензиас откриват реликтово електромагнитно излъчване с температура около 3° по скалата на Келвин (270°C). Именно това неочаквано за учените откритие ги убеди, че Големият взрив наистина се е състоял и в началото Вселената е била много гореща.

Теорията за Големия взрив обяснява много проблеми, пред които е изправена космологията. Но, за съжаление или може би за щастие, това повдигна и редица нови въпроси. По-специално: Какво се е случило преди Големия взрив? Защо нашето пространство има нулева кривина и евклидовата геометрия, която се изучава в училище, е вярна? Ако теорията за Големия взрив е вярна, тогава защо сегашният размер на нашата Вселена е много по-голям от 1 сантиметър, предвиден от теорията? Защо Вселената е изненадващо хомогенна, докато по време на всяка експлозия материята се разпръсква в различни посоки изключително неравномерно? Какво доведе до първоначалното нагряване на Вселената до невъобразима температура от повече от 10 13 K?

Всичко това показва, че теорията за Големия взрив е непълна. Дълго време изглеждаше, че вече не е възможно да се продължи напред. Само преди четвърт век, благодарение на работата на руските физици Е. Глинер и А. Старобински, както и на американеца А. Хус, беше описано ново явление - свръхбързото инфлационно разширяване на Вселената. Описанието на това явление се основава на добре проучени раздели от теоретичната физика - общата теория на относителността на Айнщайн и квантовата теория на полето. Днес е общоприето, че точно такъв период, наречен „инфлация“, е предшествал Големия взрив.

Същността на инфлацията

Когато се опитваме да дадем представа за същността на началния период от живота на Вселената, трябва да оперираме с толкова свръхмалки и свръхголеми числа, че въображението ни трудно ги възприема. Нека се опитаме да използваме някаква аналогия, за да разберем същността на процеса на инфлация.

Нека си представим планински склон, покрит със сняг, осеян с различни малки предмети - камъчета, клони и парчета лед. Някой на върха на този склон направи малка снежна топка и я пусна да се търкулне надолу по планината. Придвижвайки се надолу, снежната топка се увеличава по размер, тъй като нови слоеве сняг с всички включвания се придържат към нея. И колкото по-голяма е снежната топка, толкова по-бързо ще расте. Много скоро той ще се превърне от малка снежна топка в огромна буца. Ако склонът свърши в пропаст, той ще полети в нея с все по-голяма скорост. След като достигне дъното, бучката ще удари дъното на бездната и нейните компоненти ще се разпръснат във всички посоки (между другото, част от кинетичната енергия на бучката ще се използва за нагряване на околната среда и летящия сняг). Сега нека опишем основните положения на теорията, използвайки горната аналогия. На първо място, физиците трябваше да въведат хипотетично поле, наречено "инфлатон" (от думата "инфлация"). Това поле запълваше цялото пространство (в нашия случай сняг на склона). Благодарение на случайни колебания, той приема различни стойности в произволни пространствени региони и по различно време. Нищо съществено не се случи, докато случайно не се образува еднаква конфигурация на това поле с размер над 10 -33 см. Що се отнася до Вселената, която наблюдаваме, в първите мигове от живота си тя очевидно е била с размери 10 -27 см. Предполага се, че в такива мащаби основните закони на физиката, познати ни днес, вече са валидни, така че е възможно да се предвиди по-нататъшното поведение на системата. Оказва се, че непосредствено след това пространствената област, заета от флуктуация (от латинското fluctuatio „колебание“, случайни отклонения на наблюдаваните физични величини от техните средни стойности) започва да нараства много бързо по размер и инфлатонното поле има тенденция да заема позиция, в която енергията му е минимална (снежната топка започва да се търкаля). Това разширяване продължава само 10 -35 секунди, но това време е достатъчно, за да може диаметърът на Вселената да се увеличи поне 10 27 пъти и до края на инфлационния период нашата Вселена е придобила размер от приблизително 1 см. Инфлацията приключва, когато полето на инфлатона достига минимална енергия, няма къде да пада повече. В този случай натрупаната кинетична енергия се превръща в енергията на частиците, които се раждат и разлитат, с други думи, Вселената се нагрява. Точно този момент днес се нарича Големият взрив.

Планината, спомената по-горе, може да има много сложен релеф - няколко различни низини, долини отдолу и всякакви хълмове и хълмове. Снежни топки (бъдещи вселени) непрекъснато се раждат на върха на планината поради колебания в полето. Всяка бучка може да се плъзне във всеки от минимумите, раждайки своя собствена вселена със специфични параметри. Освен това вселените могат значително да се различават една от друга. Свойствата на нашата Вселена са удивително пригодени за възникване на интелигентен живот в нея. Други вселени може да не са имали такъв късмет.

Още веднъж бих искал да подчертая, че описаният процес на раждане на Вселената „практически от нищото“ се основава на строго научни изчисления. Независимо от това, всеки, който за първи път се запознае с гореописания механизъм на надуване, има много въпроси.

В отговор на трудни въпроси

Днес нашата Вселена се състои от голям брой звезди, да не говорим за скритата маса. И може да изглежда, че общата енергия и маса на Вселената са огромни. И е напълно неразбираемо как всичко това може да се побере в първоначалния обем от 10 -99 cm 3. Във Вселената обаче има не само материя, но и гравитационно поле. Известно е, че енергията на последния е отрицателна и, както се оказа, в нашата Вселена гравитационната енергия точно компенсира енергията, съдържаща се в частици, планети, звезди и други масивни обекти. Така законът за запазване на енергията е напълно изпълнен и общата енергия и маса на нашата Вселена са практически равни на нула. Именно това обстоятелство отчасти обяснява защо зараждащата се Вселена не се е превърнала веднага в огромна черна дупка след появата си. Общата му маса беше напълно микроскопична и в началото просто нямаше какво да се срути. И едва на по-късни етапи от развитието се появиха локални бучки материя, способни да създават такива гравитационни полета близо до себе си, че дори светлината не можеше да избяга. Съответно, частиците, от които са „направени“ звездите, просто не са съществували в началния етап на развитие. Елементарните частици започват да се раждат в периода на развитие на Вселената, когато полето на инфлатона достигна минимума на потенциалната си енергия и започна Големият взрив.

Регионът, зает от инфлатонното поле, нараства със скорост, значително по-голяма от скоростта на светлината, но това изобщо не противоречи на теорията на относителността на Айнщайн. Само материалните тела не могат да се движат по-бързо от светлината и в този случай въображаемата, нематериална граница на региона, където се е родила Вселената, се премести (пример за свръхсветлинно движение е движението на светлинно петно ​​върху повърхността на Луната по време на бързо въртене на лазера, който го осветява).

Нещо повече, околната среда изобщо не се съпротивляваше на разширяването на пространството, покрито от все по-бързо нарастващото инфлатонно поле, тъй като то сякаш не съществуваше за нововъзникващия свят. Общата теория на относителността гласи, че физическата картина, която вижда наблюдателят, зависи от това къде се намира и как се движи. Така че описаната по-горе картина е валидна за „наблюдател“, разположен вътре в тази зона. Освен това този наблюдател никога няма да знае какво се случва извън областта на пространството, където се намира. Друг „наблюдател“, който гледа тази област отвън, няма да открие никакво разширение. В най-добрия случай той ще види само малка искра, която според часовника му ще изчезне почти моментално. Дори и най-изисканото въображение отказва да възприеме такава картина. И все пак изглежда, че е вярно. Поне така смятат съвременните учени, черпейки увереност от вече откритите закони на Природата, чиято правота е многократно проверявана.

Трябва да се каже, че това инфлатонно поле продължава да съществува и да се колебае дори и сега. Но само ние, вътрешните наблюдатели, не сме в състояние да видим това - в края на краищата за нас една малка площ се е превърнала в колосална Вселена, границите на която дори светлината не може да достигне.

И така, веднага след края на инфлацията, хипотетичен вътрешен наблюдател би видял Вселената изпълнена с енергия под формата на материални частици и фотони. Ако цялата енергия, която един вътрешен наблюдател може да измери, се преобразува в маса на частиците, тогава получаваме приблизително 10 80 kg. Разстоянията между частиците се увеличават бързо поради общото разширение. Гравитационните сили на привличане между частиците намаляват скоростта им, така че разширяването на Вселената постепенно се забавя след края на инфлационния период.

Тези опасни античастици

Веднага след раждането Вселената продължи да расте и да се охлажда. В същото време се случи охлаждане, наред с други неща, поради баналното разширяване на пространството. Електромагнитното излъчване се характеризира с дължина на вълната, която може да бъде свързана с температурата; колкото по-голяма е средната дължина на вълната на излъчването, толкова по-ниска е температурата. Но ако пространството се разшири, тогава разстоянието между двете „гърбици“ на вълната ще се увеличи, а следователно и нейната дължина. Това означава, че в разширяващо се пространство радиационната температура трябва да намалява. Това се потвърждава от изключително ниската температура на съвременното космическо микровълново фоново излъчване.

Докато се разширява, съставът на материята, изпълваща нашия свят, също се променя. Кварките се комбинират в протони и неутрони и Вселената се оказва пълна с вече познати ни елементарни частици - протони, неутрони, електрони, неутрино и фотони. Присъстват и античастици. Свойствата на частиците и античастиците са почти идентични. Изглежда, че техният брой трябва да е същият веднага след инфлацията. Но тогава всички частици и античастици ще бъдат взаимно унищожени и няма да остане строителен материал за галактиките и самите нас. И тук отново имахме късмет. Природата се е погрижила да има малко повече частици, отколкото античастици. Благодарение на тази малка разлика съществува нашият свят. А космическото микровълново фоново лъчение е именно следствие от анихилация (т.е. взаимно унищожение) на частици и античастици. Разбира се, в началния етап енергията на излъчване беше много висока, но поради разширяването на пространството и, като следствие, охлаждането на излъчването, тази енергия бързо намаля. Сега енергията на космическото микровълново фоново лъчение е приблизително десет хиляди пъти (10 4 пъти) по-малка от енергията, съдържаща се в масивните елементарни частици.

Постепенно температурата на Вселената падна до 10 10 K. В този момент възрастта на Вселената беше приблизително 1 минута. Едва сега протоните и неутроните успяха да се комбинират в ядра на деутерий, тритий и хелий. Това се случи благодарение на ядрени реакции, които хората вече бяха проучили добре чрез взривяване на термоядрени бомби и работа на ядрени реактори на Земята. Следователно можем уверено да прогнозираме колко и какви елементи могат да се появят в такъв ядрен котел. Оказа се, че наблюдаваното в момента изобилие от леки елементи се съгласува добре с изчисленията. Това означава, че познатите ни физически закони са едни и същи в цялата наблюдаема част на Вселената и са били такива още в първите секунди след появата на нашия свят. Освен това около 98% от съществуващия в природата хелий се е образувал в първите секунди след Големия взрив.

Раждането на галактиките

Веднага след раждането, Вселената премина през инфлационен период на развитие - всички разстояния бързо се увеличиха (от гледна точка на вътрешен наблюдател). Енергийната плътност в различни точки на пространството обаче не може да бъде абсолютно еднаква; винаги са налице някои нехомогенности. Да предположим, че в дадена област енергията е малко по-голяма, отколкото в съседни. Но тъй като всички размери нарастват бързо, тогава размерът на тази област също трябва да расте. След като инфлационният период приключи, този разширен регион ще има малко повече частици от околната зона и температурата му ще бъде малко по-висока.

Осъзнавайки неизбежността на появата на такива области, привържениците на теорията за инфлацията се обърнаха към експериментаторите: „необходимо е да се открият температурни колебания“, заявиха те. И през 1992 г. това желание беше изпълнено. Почти едновременно руският спътник Relikt-1 и американският COBE откриха необходимите колебания в температурата на космическото микровълново фоново излъчване. Както вече споменахме, съвременната Вселена има температура от 2,7 K, а температурните отклонения, открити от учените от средната стойност, са приблизително 0,00003 K. Не е изненадващо, че подобни отклонения са били трудни за откриване преди. Така теорията за инфлацията получи още потвърждение.

С откриването на температурните колебания идва още една вълнуваща възможност да се обясни как се образуват галактиките. В края на краищата, за да могат гравитационните сили да компресират материята, е необходим първоначален ембрион - област с повишена плътност. Ако материята е разпределена равномерно в пространството, тогава гравитацията, подобно на магарето на Буридан, не знае в каква посока трябва да действа. Но именно зоните с излишна енергия генерират инфлация. Сега гравитационните сили знаят къде да действат, а именно по-плътните области, създадени по време на инфлационния период. Под въздействието на гравитацията тези първоначално малко по-плътни региони ще бъдат компресирани и от тях в бъдеще ще се образуват звезди и галактики.

Честит подарък

Настоящият момент в еволюцията на Вселената е изключително добре пригоден за живот и ще продължи много милиарди години. Звездите ще се раждат и умират, галактиките ще се въртят и ще се сблъскват, а клъстерите от галактики ще летят все по-далеч един от друг. Следователно човечеството има много време за самоусъвършенстване. Вярно е, че самото понятие „сега“ за такава обширна Вселена като нашата е слабо дефинирано. Например животът на квазарите, наблюдавани от астрономите, които са на 10 x 14 милиарда светлинни години от Земята, е точно на 10 x 14 милиарда години от нашето „сега“.

Днес учените са в състояние да обяснят повечето от свойствата на нашата Вселена, от момента на 10 -42 секунди до настоящето и дори след това. Те могат също така да проследят формирането на галактиките и да предскажат бъдещето на Вселената с известна сигурност. Въпреки това все още остават редица „незначителни“ неизвестни. Това е преди всичко същността на скритата маса (тъмна материя) и тъмната енергия. Освен това има много модели, които обясняват защо нашата Вселена съдържа много повече частици, отколкото античастици, и бих искал най-накрая да взема решение за правилния модел.

Както ни учи историята на науката, обикновено „малките несъвършенства“ отварят по-нататъшни пътища за развитие, така че бъдещите поколения учени със сигурност ще имат какво да правят. Освен това по-дълбоки въпроси вече са в дневния ред на физиците и математиците. Защо нашето пространство е триизмерно? Защо всички константи в природата изглеждат „коригирани“, така че да възниква интелигентен живот? И какво е гравитацията? Учените вече се опитват да отговорят на тези въпроси.

И разбира се, нека оставим място за изненади. Не трябва да забравяме, че такива фундаментални открития като разширяването на Вселената, наличието на реликтни фотони и вакуумна енергия са направени, може да се каже, случайно и не са очаквани от научната общност.

Възникване и последствия от вакуумната енергия

Какво очаква нашата Вселена в бъдеще? Само преди няколко години теоретиците имаха само две възможности в това отношение. Ако плътността на енергията във Вселената е ниска, тогава тя ще се разширява завинаги и постепенно ще се охлажда. Ако енергийната плътност е по-голяма от определена критична стойност, тогава етапът на разширение ще бъде заменен от етап на компресия. Вселената ще се свие по размер и ще се нагрее. Това означава, че един от ключовите параметри, определящи развитието на Вселената, е средната енергийна плътност. И така, астрофизичните наблюдения, проведени преди 1998 г., показват, че енергийната плътност е приблизително 30% от критичната стойност. И инфлационните модели прогнозираха, че енергийната плътност трябва да бъде равна на критичната. Това не притесни много апологетите на теорията за инфлацията. Те отхвърлиха опонентите си и казаха, че липсващите 70% „някак ще бъдат намерени“. И те наистина бяха намерени. Това е голяма победа за инфлационната теория, въпреки че откритата енергия е толкова странна, че повдига повече въпроси, отколкото отговори.
Изглежда, че тъмната енергия, която търсим, е енергията на самия вакуум.

В съзнанието на хората, които не се занимават с физика, вакуумът е „когато няма нищо” – нито материя, нито частици, нито полета. Това обаче не е съвсем вярно. Стандартното определение за вакуум е състояние, в което няма частици. Тъй като енергията се съдържа именно в частиците, тогава, както почти всички, включително учените, разумно смятат, че няма частици и няма енергия. Това означава, че енергията на вакуума е нула. Цялата тази доброкачествена картина се срина през 1998 г., когато астрономическите наблюдения показаха, че рецесията на галактиките леко се отклонява от закона на Хъбъл. Шокът, причинен от тези наблюдения сред космолозите, не продължи дълго. Много бързо започнаха да излизат статии, обясняващи този факт. Най-простата и естествена от тях се оказа идеята за съществуването на положителна вакуумна енергия. В края на краищата, вакуумът означава просто липса на частици, но защо само частиците могат да имат енергия? Откритата тъмна енергия се оказа разпределена изненадващо равномерно в пространството. Такава хомогенност е трудно постижима, защото ако тази енергия се съдържаше в някакви неизвестни частици, гравитационното взаимодействие би ги принудило да се съберат в грандиозни конгломерати, подобни на галактики. Следователно енергията, скрита във вакуумното пространство, много елегантно обяснява структурата на нашия свят.

Възможни са обаче и други, по-екзотични варианти за световен ред. Например моделът Quintessence, чиито елементи са предложени от съветския физик A.D. Долгов през 1985 г. предполага, че все още се плъзгаме надолу по същия хълм, който беше споменат в началото на нашата история. Освен това ние се търкаляме от много дълго време и не се вижда краят на този процес. Необичайното име, заимствано от Аристотел, обозначава определена „нова същност“, предназначена да обясни защо светът работи така, а не по друг начин.

Днес има значително повече възможности за отговор на въпроса за бъдещето на нашата Вселена. И те зависят значително от това коя теория, обясняваща скритата енергия, е правилна. Да приемем, че е вярно най-простото обяснение, при което енергията на вакуума е положителна и не се променя с времето. В този случай Вселената никога няма да се свие и няма да сме застрашени от прегряване и Големия взрив. Но всички хубави неща си имат цена. В този случай, както показват изчисленията, ние никога няма да можем да достигнем всички звезди в бъдеще. Освен това броят на галактиките, видими от Земята, ще намалее и след 10 х 20 милиарда години човечеството ще има само няколко съседни галактики на свое разположение, включително нашия Млечен път, както и съседната Андромеда. Човечеството вече няма да може да се увеличава количествено и тогава ще трябва да се занимаваме с качествения му компонент. За утеха можем да кажем, че няколкостотин милиарда звезди, които ще бъдат достъпни за нас в толкова далечно бъдеще, също са много.

Ще имаме ли обаче нужда от звезди? 20 милиарда години са много време. В края на краищата само за няколкостотин милиона години животът е еволюирал от трилобити до съвременни хора. Така че нашите далечни потомци може дори да са по-различни от нас по външен вид и способности, отколкото ние от трилобитите. Какво им обещава още по-далечното бъдеще, според прогнозите на съвременните учени? Ясно е, че звездите ще „умрат“ по един или друг начин, но и ще се образуват нови. Този процес също не е безкраен – след около 10-14 години според учените във Вселената ще останат само слабо светещи обекти – бели и тъмни джуджета, неутронни звезди и черни дупки. Почти всички те също ще умрат след 10 37 години, след като са изчерпали всичките си енергийни резерви. До този момент ще останат само черни дупки, погълнали цялата останала материя. Какво може да унищожи черна дупка? Всеки наш опит да направим това само увеличава масата му. Но „нищо не трае вечно под луната“. Оказва се, че черните дупки бавно излъчват частици. Това означава, че тяхната маса постепенно намалява. Всички черни дупки също трябва да изчезнат за около 10 100 години. След това ще останат само елементарни частици, разстоянието между които ще бъде много по-голямо от размера на съвременната Вселена (около 10 90 пъти) - в крайна сметка през цялото това време Вселената се разширява! И, разбира се, ще остане вакуумна енергия, която абсолютно ще доминира във Вселената.

Между другото, свойствата на такова пространство са изследвани за първи път от W. de Sitter през 1922 г. Така че нашите потомци ще трябва или да променят физическите закони на Вселената, или да се преместят в други вселени. Сега изглежда невероятно, но искам да вярвам в силата на човечеството, независимо как то, човечеството, изглежда в толкова далечно бъдеще. Защото има много време. Между другото, възможно е дори сега, без да знаем, да създаваме нови вселени. За да възникне нова вселена в много малък регион, е необходимо да се инициира инфлационен процес, който е възможен само при висока енергийна плътност. Но експериментаторите създават такива региони от дълго време чрез сблъскване на частици в ускорители. И въпреки че тези енергии все още са много далеч от инфлационните, вероятността за създаване на вселена в ускорител вече не е нула. За съжаление, ние сме същият „отдалечен наблюдател“, за когото животът на тази „създадена от човека“ вселена е твърде кратък и не можем да проникнем в нея и да видим какво се случва там...

Възможни сценарии за развитието на нашия свят
1. Пулсиращ модел на Вселената, в който след период на разширение започва период на компресия и всичко завършва с Голям взрив
2. Вселена със строго коригирана средна плътност, точно равна на критичната. В този случай нашият свят е Евклидов и неговото разширяване се забавя през цялото време
3. Равномерно разширяваща се вселена поради инерция. Доскоро в полза на такъв отворен модел на света свидетелстваха данните за изчисляване на средната плътност на нашата Вселена
4. Свят, разширяващ се с все по-голяма скорост. Последните експериментални данни и теоретични изследвания показват, че Вселената се отдалечава все по-бързо и по-бързо и въпреки евклидовия характер на нашия свят, повечето от галактиките в бъдеще ще бъдат недостъпни за нас. И вината за такава странна структура на света е същата тази тъмна енергия, която днес се свързва с някаква вътрешна енергия на вакуума, който изпълва цялото пространство

Сергей Рубин, доктор на физико-математическите науки

Бъдещето на Вселената е един от основните въпроси на космологията, отговорът на който зависи преди всичко от такива характеристики и свойства на Вселената като нейната маса, енергия, средна плътност и скорост на разширяване.

Какво знаем за Вселената?

Като начало трябва да дефинираме самото понятие „Вселена“, което има своето място както в астрономията, така и във философията. В областта на астрономията Вселената се нарича Метагалактика или просто астрономическа Вселена. Но от теоретична гледна точка, която се взема предвид от повечето модели и сценарии за развитието на Вселената, това е колосална система, която надхвърля границите на възможното наблюдение.

Едно от най-важните свойства на Вселената, което беше открито сравнително наскоро, е почти равномерно и изотропно разширение, което също се оказа ускорено. В зависимост от продължителността на това разширение, историята на Вселената може да приеме един от два възможни сценария.

В първия случай разширяването ще продължи безкрайно дълго, като в същото време средната плътност на материята във Вселената бързо ще спада, приближавайки се до нулата. Накратко, всичко ще започне с разпадането на галактическите купове и ще завърши с разделянето на протона на кварки.

Вторият сценарий отчита постулатите на общата теория на относителността (ОТО), която гласи, че при значително увеличаване на плътността на материята пространство-времето се изкривява. Ако разширяването започне да се забавя, най-вероятно в даден момент то ще се превърне в компресия. Тогава Вселената ще започне да се свива и средната плътност на нейната материя бързо ще нараства. При този ход на събитията, според общата теория на относителността, пространство-времето постепенно ще се огъва, докато Вселената се затвори в себе си, като повърхността на обикновена сфера, но с повече измерения, отколкото сме свикнали да си представяме.

Космологични епохи на Вселената

В опитите си да предскажат бъдещата съдба на астрономическата Вселена учените са разделили нейното съществуване на следните етапи:

Въпреки факта, че материята на Вселената постепенно се унищожава, самото пространство може да се развива според четири хипотетични сценария:

1. Ако с течение на времето разширяването на Вселената се забави и след това се превърне в компресия, тогава последният етап от нейния живот ще бъде Големият срив. В резултат цялата материя колабира и се връща в първоначалното си състояние – сингулярност.
2. Друг сценарий е, че средната плътност на материята във Вселената е точно определена и е такава, че разширяването постепенно се забавя.
3. Най-вероятният модел, поради съвременните резултати от наблюдения. Това предполага равномерно разширяване на Вселената по инерция.
4. Бързото нарастване на скоростта на разширяване на Вселената, което ще доведе нашия свят до т.нар.