Scénáře pro budoucnost vesmíru. Vývoj vesmíru, jeho různé modely

Budoucnost vesmíru je otázkou zvažovanou v rámci fyzikální kosmologie. Různé vědecké teorie předpověděly mnoho možných budoucností, mezi nimiž existují názory jak na zničení, tak na nekonečný život Vesmíru.

Poté, co většina vědců přijala teorii o stvoření vesmíru velkým třeskem a jeho následné rychlé expanzi, stala se budoucnost vesmíru otázkou kosmologie, posuzované z různých úhlů pohledu v závislosti na fyzikálních vlastnostech vesmíru: jeho hmotnost a energie, průměrná hustota a rychlost expanze.

Vesmír pokračuje ve svém vývoji i dnes, jak se vyvíjejí jeho části. Doba tohoto vývoje se u každého typu objektů liší o více než řád. A když život předmětů jednoho typu končí, pak pro ostatní všechno teprve začíná. To nám umožňuje rozdělit vývoj vesmíru do epoch. Konečná podoba evolučního řetězce však závisí na rychlosti a zrychlení expanze: při rovnoměrném nebo téměř rovnoměrném tempu expanze projdou všechny fáze evoluce a všechny energetické zásoby se vyčerpají. Tento vývoj se nazývá tepelná smrt.

Pokud se rychlost dále zvyšuje, pak od určitého okamžiku síla, která rozpíná vesmír, nejprve převýší gravitační síly, které udržují galaxie v kupách. Za nimi se rozloží galaxie a hvězdokupy. A konečně, nejblíže příbuzné hvězdné systémy se budou rozpadat jako poslední. Po nějaké době nebudou elektromagnetické síly schopny zabránit rozpadu planety a menších objektů. Svět bude opět existovat ve formě jednotlivých atomů. V další fázi se budou rozpadat i jednotlivé atomy. Nelze přesně říci, co bude následovat: v této fázi přestává moderní fyzika fungovat.

Výše uvedený scénář je scénářem Big Rip.

Existuje i opačný scénář – Velká komprese. Pokud se rozpínání vesmíru zpomalí, pak se v budoucnu zastaví a začne kontrakce. Vývoj a vzhled vesmíru bude určován kosmologickými epochami, dokud nebude jeho poloměr pětkrát menší než ten současný. Pak všechny kupy ve vesmíru vytvoří jednu megakupu, ale galaxie neztratí svou individualitu: stále v nich bude docházet ke zrození hvězd, vzplanou supernovy a možná se vyvine biologický život. To vše skončí, až se vesmír ještě 20krát zmenší a stane se 100krát menším, než je nyní; v tu chvíli bude vesmír jednou obrovskou galaxií.

Teplota reliktního pozadí dosáhne 274 K a na terestrických planetách začne tát led. Další komprese povede k tomu, že záření reliktního pozadí zatemní i centrální svítidlo planetárního systému a spálí poslední výhonky života na planetách. A brzy poté se samotné hvězdy a planety vypaří nebo roztrhají na kusy. Stav Vesmíru bude podobný tomu, jaký byl v prvních okamžicích jeho zrodu. Další události se budou podobat těm, které nastaly na začátku, ale převinuty v opačném pořadí: atomy se rozpadají na atomová jádra a elektrony, záření začne dominovat, pak se atomová jádra začnou rozpadat na protony a neutrony, potom se samotné protony a neutrony rozpadají na samostatné kvarků, dochází k velkému sjednocení. V tuto chvíli, stejně jako v okamžiku velkého třesku, nám známé fyzikální zákony přestávají fungovat a není možné předvídat budoucí osud vesmíru.

Kosmologické epochy
Představme si pojem kosmologické dekády (η) jako desetinný index stáří vesmíru v letech:

Éra hvězd (6 Tato doba je již bez zdrojů energie. Přežily pouze zbytkové produkty všech procesů probíhajících v minulých desetiletích: fotony s obrovskou vlnovou délkou, neutrina, elektrony a pozitrony. Teplota se rychle blíží k absolutní nule. Pozitrony a elektrony čas od času tvoří nestabilní atomy pozitronia, jejich dlouhodobým osudem je úplná anihilace.

Ve vědeckém světě je obecně přijímáno, že vesmír vznikl v důsledku velkého třesku. Tato teorie je založena na skutečnosti, že energie a hmota (základy všech věcí) byly dříve ve stavu singularity. To se zase vyznačuje nekonečností teploty, hustoty a tlaku. Samotný stav singularity popírá všechny fyzikální zákony známé modernímu světu. Vědci se domnívají, že vesmír vznikl z mikroskopické částice, která se z neznámých důvodů v dávné minulosti dostala do nestabilního stavu a explodovala.

Termín „Velký třesk“ se začal používat od roku 1949 po zveřejnění prací vědce F. Hoyla v populárně naučných publikacích. Dnes je teorie „dynamického se vyvíjejícího modelu“ rozvinuta tak dobře, že fyzici mohou popsat procesy probíhající ve vesmíru již 10 sekund po explozi mikroskopické částice, která položila základ všemu.

Existuje několik důkazů teorie. Jedním z hlavních je reliktní záření, které prostupuje celý Vesmír. Mohla vzniknout podle moderních vědců až v důsledku velkého třesku, a to interakcí mikroskopických částic. Je to reliktní záření, které umožňuje dozvědět se o dobách, kdy vesmír vypadal jako planoucí prostor a neexistovaly žádné hvězdy, planety a samotná galaxie. Druhým důkazem zrodu všeho, co existuje z Velkého třesku, je kosmologický rudý posuv, který spočívá v poklesu frekvence záření. To potvrzuje odstranění hvězd, galaxií zejména z Mléčné dráhy a navzájem obecně. To znamená, že to naznačuje, že vesmír expandoval dříve a pokračuje v tom až dosud.

Stručná historie vesmíru

• 10-45-10-37 sec- inflační expanze


• 10-6 sec- vznik kvarků a elektronů


• 10-5 sec- vznik protonů a neutronů


• 10 -4 s - 3 min- vznik jader deuteria, helia a lithia


• 400 tisíc let- tvorba atomů


• 15 milionů let- pokračující expanze plynového oblaku


• 1 miliardu let- zrození prvních hvězd a galaxií


• 10-15 miliard let- vznik planet a inteligentního života


• 10 14 miliard let- ukončení procesu zrození hvězd


• 10 37 miliard let- vyčerpání energie všech hvězd


• 10 40 miliard let- vypařování černých děr a zrod elementárních částic


• 10 100 miliard let- dokončení vypařování všech černých děr

Teorie velkého třesku se stala skutečným průlomem ve vědě. Umožnila vědcům odpovědět na mnoho otázek týkajících se zrodu vesmíru. Ale zároveň tato teorie dala vzniknout novým záhadám. Hlavní z nich je příčina samotného velkého třesku. Druhá otázka, na kterou moderní věda nemá odpověď, je, jak se objevil prostor a čas. Podle některých badatelů se narodili společně s hmotou, energií. To znamená, že jsou výsledkem velkého třesku. Pak se ale ukáže, že čas a prostor musí mít nějaký začátek. To znamená, že určitá entita, neustále existující a nezávislá na svých ukazatelích, by mohla dobře zahájit procesy nestability v mikroskopické částici, která dala vzniknout vesmíru.

Čím více výzkumů se v tomto směru provádí, tím více otázek vyvstává pro astrofyziky. Odpovědi na ně čekají lidstvo v budoucnosti.

Otázka vzniku Vesmíru se všemi jeho známými i dosud neznámými vlastnostmi trápí člověka od nepaměti. Ale teprve ve 20. století, po objevu kosmologické expanze, se otázka vývoje Vesmíru začala postupně vyjasňovat. Nedávné vědecké údaje vedly k závěru, že náš vesmír se zrodil před 15 miliardami let v důsledku velkého třesku. Ale co přesně v tu chvíli explodovalo a co ve skutečnosti existovalo před Velkým třeskem, stále zůstávalo záhadou. Inflační teorie vzniku našeho světa, vytvořená na konci 20. století, umožnila výrazně pokročit v řešení těchto otázek a obecný obraz prvních okamžiků Vesmíru je již dnes dobře vykreslen, i když mnozí problémy stále čekají na křídlech.

Vědecký pohled na stvoření světa

Až do začátku minulého století existovaly pouze dva názory na vznik našeho vesmíru. Vědci věřili, že je věčný a neměnný, a teologové tvrdili, že svět byl stvořen a bude mít konec. Dvacáté století, které zničilo mnoho z toho, co bylo vytvořeno v předchozích tisíciletích, dokázalo dát vlastní odpovědi na většinu otázek, které zaměstnávaly mysl vědců minulosti. A možná jedním z největších úspěchů minulého století je objasnění otázky, jak vznikl Vesmír, ve kterém žijeme, a jaké existují hypotézy o jeho budoucnosti.

Jednoduchý astronomický fakt, expanze našeho vesmíru vedla ke kompletní revizi všech kosmogonických konceptů a vývoji nové fyziky fyziky vznikajících a mizejících světů. Právě před 70 lety Edwin Hubble objevil, že světlo ze vzdálenějších galaxií je „červenější“ než světlo z bližších. Navíc se ukázalo, že rychlost recese je úměrná vzdálenosti od Země (Hubbleův expanzní zákon). To bylo objeveno díky Dopplerovu jevu (závislost vlnové délky světla na rychlosti světelného zdroje). Protože vzdálenější galaxie vypadají více „červeně“, předpokládalo se, že se vzdalují rychleji. Mimochodem, nerozptylují se hvězdy a dokonce ani jednotlivé galaxie, ale kupy galaxií. Nejbližší hvězdy a galaxie jsou navzájem spojeny gravitačními silami a tvoří stabilní struktury. Navíc, ať se podíváte z jakéhokoli směru, kupy galaxií se od Země rozptylují stejnou rychlostí a může se zdát, že naše Galaxie je středem vesmíru, ale není tomu tak. Ať je pozorovatel kdekoli, všude uvidí stejný obrázek, všechny galaxie před ním utíkají.

Ale takové rozpínání hmoty musí mít svůj začátek. To znamená, že všechny galaxie se musely zrodit ve stejném bodě. Výpočty ukazují, že k tomu došlo asi před 15 miliardami let. V okamžiku takového výbuchu byla teplota velmi vysoká a mělo se objevit mnoho světelných kvant. Časem samozřejmě vše vychladne a kvanta se rozptýlí po vznikajícím prostoru, ale ozvěny velkého třesku měly přežít dodnes.

První potvrzení skutečnosti exploze přišlo v roce 1964, kdy američtí radioastronomové R. Wilson a A. Penzias objevili reliktní elektromagnetické záření o teplotě asi 3° Kelvina (270°C). Právě tento pro vědce nečekaný objev je přesvědčil, že k velkému třesku skutečně došlo a že vesmír byl zpočátku velmi horký.

Teorie velkého třesku pomohla vysvětlit mnoho problémů, kterým kosmologie čelí. Ale bohužel, nebo možná naštěstí, vyvolalo i řadu nových otázek. Konkrétně: Co se stalo před Velkým třeskem? Proč má náš prostor nulové zakřivení a proč je Euklidova geometrie, která se studuje ve škole, správná? Pokud je teorie velkého třesku správná, proč je současná velikost našeho vesmíru o tolik větší než 1 centimetr předpokládaný teorií? Proč je vesmír překvapivě homogenní, zatímco při jakékoli explozi se hmota rozptyluje do různých směrů extrémně nerovnoměrně? Co vedlo k počátečnímu zahřátí vesmíru na nepředstavitelnou teplotu vyšší než 10 13 K?

To vše naznačovalo, že teorie velkého třesku není úplná. Dlouho se zdálo, že jít dál je nemožné. Teprve před čtvrtstoletím byl díky práci ruských fyziků E. Glinera a A. Starobinského a také Američana A. Guse popsán nový fenomén - superrychlá inflační expanze Vesmíru. Popis tohoto jevu vychází z dobře prostudovaných částí teoretické fyziky Einsteinovy ​​obecné teorie relativity a kvantové teorie pole. Dnes se obecně uznává, že toto období, nazývané „inflace“, předcházelo velkému třesku.

Podstata inflace

Když se pokoušíme podat představu o podstatě počátečního období života Vesmíru, musíme pracovat s tak ultramalými a supervelkými čísly, že je naše představivost sotva vnímá. Pokusme se pomocí nějaké analogie pochopit podstatu procesu inflace.

Představme si zasněžený horský svah protkaný různorodými drobnými předměty – oblázky, větvemi a kusy ledu. Někdo na vrcholu tohoto svahu udělal malou sněhovou kouli a nechal ji kutálet se dolů z hory. Pohybem dolů se sněhová koule zvětšuje, protože na ní ulpívají nové vrstvy sněhu se všemi inkluzemi. A čím větší je sněhová koule, tím rychleji poroste. Velmi brzy se z malé sněhové koule promění v obrovskou hroudu. Pokud svah skončí v propasti, pak do ní vletí se stále větší rychlostí. Po dosažení dna narazí hrudka na dno propasti a její složky se rozptýlí na všechny strany (mimochodem část kinetické energie hrudy půjde na ohřev prostředí a poletujícího sněhu). Popišme nyní hlavní ustanovení teorie pomocí výše uvedené analogie. Nejprve museli fyzici zavést hypotetické pole, kterému se říkalo „inflaton“ (od slova „inflace“). Toto pole vyplnilo celý prostor (v našem případě sníh na svahu). Kvůli náhodným fluktuacím nabýval různých hodnot v libovolných prostorových oblastech a v různých časových bodech. Nic podstatného se nestalo, dokud náhodně nevznikla homogenní konfigurace tohoto pole o velikosti více než 10 -33 cm Co se týče námi pozorovaného vesmíru, ten měl v prvních okamžicích svého života zřejmě velikost 10 -27 cm. taková měřítka, základní fyzikální zákony nám známé již dnes platí, takže je možné předvídat další chování systému. Ukazuje se, že ihned poté se prostorová oblast obsazená fluktuací (z latinského fluctuatio „fluktuace“, náhodné odchylky pozorovaných fyzikálních veličin od jejich průměrných hodnot) začne velmi rychle zvětšovat a inflatonové pole má tendenci se zvětšovat. zaujmout polohu, ve které je jeho energie minimální (kutálela se sněhová koule). Taková expanze trvá pouze 10 -35 sekund, ale tato doba stačí k tomu, aby se průměr Vesmíru zvětšil alespoň 1027krát a do konce inflačního období nabyl náš Vesmír velikost asi 1 cm. Inflace končí, když inflatonové pole dosahuje minimální energie, není kam jinam klesnout. V tomto případě se nahromaděná kinetická energie přeměňuje na energii zrozených a expandujících částic, jinými slovy dochází k zahřívání vesmíru. Právě tomuto okamžiku se dnes říká Velký třesk.

Hora zmíněná výše může mít velmi složitý terén, několik různých nížin, údolí pod nimi a nejrůznější kopce a hrboly. Sněhové koule (budoucí vesmíry) se neustále rodí na vrcholu hory kvůli kolísání pole. Každá hrouda se může zasunout do libovolného minima, a tak dá vzniknout svému vlastnímu vesmíru se specifickými parametry. Navíc se vesmíry mohou od sebe výrazně lišit. Vlastnosti našeho vesmíru jsou úžasně přizpůsobeny tak, aby v něm vznikl inteligentní život. Jiné vesmíry možná takové štěstí neměly.

Ještě jednou bych rád zdůraznil, že popsaný proces zrodu Vesmíru „prakticky z ničeho“ je založen na přísně vědeckých výpočtech. Nicméně každý, kdo se poprvé seznámí s výše popsaným inflačním mechanismem, má mnoho otázek.

V odpovědi na záludné otázky

Náš vesmír je dnes tvořen velkým množstvím hvězd, nemluvě o skryté hmotě. A mohlo by se zdát, že celková energie a hmotnost vesmíru je obrovská. A je naprosto nepochopitelné, jak se to všechno mohlo vejít do počátečního objemu 10 -99 cm 3. Ve Vesmíru však není pouze hmota, ale také gravitační pole. Je známo, že energie posledně jmenovaného je záporná a jak se ukázalo, v našem Vesmíru energie gravitace přesně kompenzuje energii obsaženou v částicích, planetách, hvězdách a dalších hmotných objektech. Zákon zachování energie je tedy dokonale splněn a celková energie a hmotnost našeho Vesmíru se prakticky rovná nule. Právě tato okolnost částečně vysvětluje, proč se rodící se vesmír neproměnil v obrovskou černou díru ihned po svém objevení. Jeho celková hmotnost byla zcela mikroskopická a zpočátku se prostě nemělo co zhroutit. A až v pozdějších fázích vývoje se objevily místní shluky hmoty schopné vytvářet v blízkosti sebe taková gravitační pole, ze kterých nemůže uniknout ani světlo. Částice, ze kterých jsou hvězdy „vyrobeny“, tedy v počáteční fázi vývoje jednoduše neexistovaly. Elementární částice se začaly rodit v tom období vývoje Vesmíru, kdy inflatonové pole dosáhlo minima potenciální energie a začal Velký třesk.

Plocha, kterou zabírá inflatonové pole, rostla rychlostí mnohem větší, než je rychlost světla, ale to ani v nejmenším neodporuje Einsteinově teorii relativity. Pouze hmotná tělesa se nemohou pohybovat rychleji než světlo a v tomto případě se posunula pomyslná, nehmotná hranice oblasti, kde se zrodil Vesmír (příkladem nadsvětelného pohybu je pohyb světelné skvrny po povrchu Měsíce během rychlé otáčení laseru, který jej osvětluje).

Prostředí navíc vůbec neodolalo rozšiřování plochy prostoru pokrytého stále rychleji rostoucím inflatonovým polem, protože se zdálo, že pro vznikající svět neexistuje. Obecná teorie relativity říká, že fyzický obraz, který pozorovatel vidí, závisí na tom, kde se nachází a jak se pohybuje. Výše popsaný obrázek tedy platí pro „pozorovatele“ umístěného uvnitř této oblasti. Navíc tento pozorovatel nikdy nebude vědět, co se děje mimo oblast vesmíru, kde se nachází. Jiný „pozorovatel“, při pohledu na tuto oblast zvenčí, nenajde vůbec žádné rozšíření. V lepším případě uvidí jen malou jiskřičku, která podle jeho hodinek téměř okamžitě zmizí. Dokonce i ta nejsofistikovanější představivost odmítá takový obraz vnímat. A přesto se zdá, že je to pravda. Alespoň si to myslí moderní vědci, kteří důvěřují již objeveným přírodním zákonům, jejichž správnost byla opakovaně ověřena.

Je třeba říci, že toto inflatonové pole stále existuje a kolísá. To ale nejsme schopni vidět jen my, vnitřní pozorovatelé, protože pro nás se malá oblast proměnila v kolosální Vesmír, na jehož hranice nedosáhne ani světlo.

Takže ihned po skončení inflace by hypotetický vnitřní pozorovatel viděl vesmír naplněný energií ve formě hmotných částic a fotonů. Pokud se veškerá energie, kterou by mohl změřit vnitřní pozorovatel, přemění na hmotu částic, pak dostaneme přibližně 10 80 kg. Vzdálenosti mezi částicemi se díky celkové expanzi rychle zvětšují. Gravitační síly přitažlivosti mezi částicemi snižují jejich rychlost, takže rozpínání vesmíru po skončení inflačního období se postupně zpomaluje.

Tyto nebezpečné antičástice

Ihned po narození vesmír dále rostl a chladl. K ochlazení přitom došlo mimo jiné v důsledku banálního rozpínání prostoru. Elektromagnetické záření je charakterizováno vlnovou délkou, kterou lze spojit s teplotou – čím delší je průměrná vlnová délka záření, tím je teplota nižší. Ale pokud se prostor rozšíří, pak se vzdálenost mezi dvěma "hrby" vlny zvětší a následně i její délka. To znamená, že v rozpínajícím se prostoru musí klesnout i teplota záření. Potvrzuje to extrémně nízká teplota moderního reliktního záření.

Jak se rozpíná, mění se i složení hmoty, která vyplňuje náš svět. Kvarky se sjednocují do protonů a neutronů a vesmír je naplněn elementárními částicemi, které jsou nám již známé protony, neutrony, elektrony, neutrina a fotony. Existují také antičástice. Vlastnosti částic a antičástic jsou téměř totožné. Zdálo by se, že jejich počet by měl být ihned po inflaci stejný. Ale pak by se všechny částice a antičástice vzájemně anihilovaly a neexistoval by žádný stavební materiál pro galaxie a nás samotné. A tady máme opět štěstí. Příroda se postarala o to, aby tam bylo o něco více částic než antičástic. Právě díky tomuto malému rozdílu existuje náš svět. A to reliktní záření je právě důsledkem anihilace (tedy vzájemné anihilace) částic a antičástic. Samozřejmě, že v počáteční fázi byla energie záření velmi vysoká, ale v důsledku rozpínání prostoru a v důsledku toho ochlazování záření tato energie rychle klesala. Nyní je energie reliktního záření asi desettisíckrát (10 4krát) menší než energie obsažená v masivních elementárních částicích.

Postupně teplota vesmíru klesla na 10 10 K. Do této doby bylo stáří vesmíru asi 1 minutu. Teprve nyní se protony a neutrony dokázaly sloučit do jader deuteria, tritia a helia. Mohly za to jaderné reakce, které už lidé dobře prostudovali, odpalování termonukleárních bomb a provozování atomových reaktorů na Zemi. Proto lze s jistotou předpovědět, kolik a jaké prvky se mohou objevit v takové jaderné hromadě. Ukázalo se, že aktuálně pozorované množství světelných prvků je v dobré shodě s výpočty. To znamená, že nám známé fyzikální zákony jsou stejné v celé pozorovatelné části Vesmíru a byly takové již v prvních sekundách po vzniku našeho světa. Navíc asi 98 % helia existujícího v přírodě vzniklo přesně v prvních sekundách po velkém třesku.

Zrození galaxií

Ihned po narození prošel Vesmír inflačním obdobím vývoje, všechny vzdálenosti se rapidně zvětšovaly (z pohledu vnitřního pozorovatele). Hustota energie v různých bodech prostoru však nemůže být přesně stejná, vždy jsou přítomny nehomogenity. Předpokládejme, že v některých oblastech je energie o něco větší než v sousedních. Ale protože všechny velikosti rychle rostou, musí růst i velikost této oblasti. Po skončení inflačního období bude mít tato rozšířená oblast o něco více částic než prostor kolem ní a její teplota bude o něco vyšší.

Zastánci inflační teorie si uvědomili nevyhnutelnost vzniku takových oblastí a obrátili se na experimentátory: „Je nutné detekovat kolísání teplot,“ uvedli. A v roce 1992 se toto přání splnilo. Téměř současně ruský satelit „Relikt-1“ a americký „COBE“ detekovaly požadované výkyvy teploty záření kosmického mikrovlnného pozadí. Jak již bylo zmíněno, moderní vesmír má teplotu 2,7 K a odchylky teploty od střední hodnoty zjištěné vědci byly přibližně 0,00003 K. Není divu, že dříve bylo obtížné takové odchylky odhalit. Inflační teorie tak získala další potvrzení.

S objevem kolísání teploty se naskytla další vzrušující příležitost vysvětlit princip vzniku galaxií. Koneckonců, aby gravitační síly stlačily hmotu, potřebuje počáteční zárodek oblast se zvýšenou hustotou. Je-li hmota rovnoměrně rozložena v prostoru, pak gravitace, stejně jako Buridanův osel, neví, kterým směrem má působit. Ale jsou to právě oblasti s přebytkem energie, které generují inflaci. Nyní gravitační síly vědí, na co mají působit, konkrétně na hustší oblasti vytvořené během inflačního období. Vlivem gravitace se tyto původně trochu hustší oblasti budou zmenšovat a právě z nich se budou v budoucnu tvořit hvězdy a galaxie.

šťastný dárek

Současný okamžik evoluce Vesmíru je mimořádně dobře přizpůsoben životu a bude trvat ještě mnoho miliard let. Hvězdy se budou rodit a umírat, galaxie se budou otáčet a srážet a kupy galaxií budou létat stále dále od sebe. Proto má lidstvo dostatek času na sebezdokonalování. Pravda, samotný koncept „teď“ pro tak obrovský vesmír, jako je ten náš, je špatně definován. Takže například život kvasarů pozorovaných astronomy, vzdálených od Země 1014 miliard světelných let, je od našeho „nyní“ oddělen právě oněch 1014 miliard let.

Dnes jsou vědci schopni vysvětlit většinu vlastností našeho vesmíru, od 10 -42 sekund až do současnosti a dále. Mohou také sledovat formování galaxií a předpovídat budoucnost vesmíru s určitou jistotou. Přesto stále zůstává řada „drobných“ nesrozumitelností. V první řadě je to podstata skryté hmoty (temné hmoty) a temné energie. Navíc existuje mnoho modelů, které vysvětlují, proč náš vesmír obsahuje mnohem více částic než antičástic, a my bychom se nakonec rádi rozhodli pro výběr jednoho správného modelu.

Jak nás učí dějiny vědy, jsou to obvykle „drobné nedokonalosti“, které otevírají další cesty rozvoje, takže budoucí generace vědců budou mít jistě co dělat. Navíc hlubší otázky jsou již na programu fyziků a matematiků. Proč je náš prostor trojrozměrný? Proč jsou všechny konstanty v přírodě jakoby „přizpůsobeny“ tak, aby vznikl inteligentní život? A co je gravitace? Na tyto otázky se již vědci snaží odpovědět.

A samozřejmě si nechte prostor pro překvapení. Nemělo by se zapomínat, že tak zásadní objevy, jako je expanze vesmíru, přítomnost reliktních fotonů a energie vakua, byly učiněny, dalo by se říci, náhodou a vědecká komunita je neočekávala.

Vznik energie vakua a důsledky

Co čeká náš vesmír v budoucnu? Ještě před pár lety měli teoretici v tomto ohledu jen dvě možnosti. Pokud je hustota energie ve vesmíru nízká, pak se bude navždy rozpínat a postupně ochlazovat. Pokud je hustota energie větší než určitá kritická hodnota, bude expanzní stupeň nahrazen kompresním stupněm. Vesmír se bude zmenšovat a zahřívat se. To znamená, že jedním z klíčových parametrů určujících vývoj Vesmíru je průměrná hustota energie. Astrofyzikální pozorování provedená před rokem 1998 tedy ukázala, že hustota energie je přibližně 30 % kritické hodnoty. A inflační modely předpovídaly, že hustota energie by se měla rovnat kritické. Obhájci inflační teorie se nenechali příliš zahanbit. Pokrčili své odpůrce a řekli, že chybějících 70 % se „nějak najde“. A opravdu to udělali. To je velké vítězství teorie inflace, ačkoli nalezená energie byla tak zvláštní, že vyvolala více otázek než odpovědí.
Zdá se, že hledaná temná energie je energií samotného vakua.

Z pohledu lidí, kteří nejsou spojeni s fyzikou, vakuum „je, když není nic“, bez ohledu na hmotu, žádné částice, žádná pole. Není to však tak docela pravda. Standardní definice vakua je stav, ve kterém nejsou žádné částice. Protože energie je obsažena právě v částicích, pak, jak se téměř všichni rozumně domnívali, včetně vědců, neexistují žádné částice, není ani energie. Energie vakua je tedy nulová. Celý tento blažený obraz se zhroutil v roce 1998, kdy astronomická pozorování ukázala, že recese galaxií se mírně odchyluje od Hubbleova zákona. Šok způsobený těmito pozorováními mezi kosmology na sebe nenechal dlouho čekat. Velmi rychle začaly vycházet články vysvětlující tuto skutečnost. Nejjednodušší a nejpřirozenější z nich byla myšlenka existence pozitivní vakuové energie. Koneckonců vakuum znamená jednoduše nepřítomnost částic, ale proč mohou mít energii pouze částice? Ukázalo se, že objevená temná energie je v prostoru překvapivě rovnoměrně rozložena. Takové homogenity je obtížné dosáhnout, protože pokud by tato energie byla obsažena v nějakých neznámých částicích, gravitační interakce by je donutila shromáždit se do grandiózních konglomerátů, jako jsou galaxie. Proto energie ukrytá v prostoru-vakuu velmi elegantně vysvětluje strukturu našeho světa.

Možné jsou však i jiné, exotičtější, varianty světového řádu. Například model Quintessence, jehož prvky navrhl sovětský fyzik A.D. Dolgov v roce 1985 naznačuje, že stále kloužeme z kopce, který byl zmíněn na začátku našeho příběhu. Navíc jsme se motali už velmi dlouho a konec tohoto procesu je v nedohlednu. Neobvyklé jméno, vypůjčené od Aristotela, označuje jakousi „novou podstatu“, která má vysvětlit, proč svět funguje tak a ne jinak.

Dnes existuje mnohem více možností, jak odpovědět na otázku o budoucnosti našeho Vesmíru. A v podstatě závisí na tom, která teorie vysvětlující latentní energii je správná. Předpokládejme, že je pravdivé nejjednodušší vysvětlení, ve kterém je energie vakua kladná a nemění se s časem. V tomto případě se Vesmír nikdy nezmenší a nebude nám hrozit přehřátí a Velký třesk. Ale všechny dobré věci mají svou cenu. V tomto případě, jak ukazují výpočty, nikdy v budoucnu nebudeme schopni dosáhnout všech hvězd. Navíc se počet galaxií viditelných ze Země sníží a za 1020 miliard let zůstane lidstvu k dispozici jen několik sousedních galaxií, včetně naší Mléčné dráhy a také sousední Andromedy. Lidstvo se již nebude moci kvantitativně zvětšovat a pak bude nutné zabývat se jeho kvalitativní složkou. Pro útěchu můžeme říci, že několik set miliard hvězd, které nám budou k dispozici v tak vzdálené budoucnosti, je také hodně.

Potřebujeme však hvězdy? 20 miliard let je dlouhá doba. Koneckonců, během pouhých několika set milionů let se život vyvinul z trilobitů na moderní lidi. Naši vzdálení potomci se tedy od nás budou vzhledem a schopnostmi pravděpodobně ještě více lišit, než jsme my od trilobitů. Co jim podle prognóz moderních vědců slibuje ještě vzdálenější budoucnost? Je jasné, že hvězdy tak či onak „umřou“, ale budou vznikat i nové. Tento proces také není za zhruba 10 14 let nekonečný, podle vědců zůstanou ve Vesmíru jen slabě svítící objekty bílí a temní trpaslíci, neutronové hvězdy a černé díry. Téměř všichni také zemřou za 10 37 let, když vyčerpají všechny své energetické zásoby. Do této doby zůstanou pouze černé díry, které pohltí všechen zbytek hmoty. Co může zničit černou díru? Jakýkoli z našich pokusů o to jen zvýší jeho hmotnost. Ale "pod měsícem nic netrvá věčně." Ukazuje se, že černé díry pomalu, ale vyzařují částice. To znamená, že jejich hmotnost postupně klesá. Všechny černé díry by také měly zmizet přibližně za 10 100 let. Poté už zůstanou jen elementární částice, jejichž vzdálenost značně přesáhne velikost moderního Vesmíru (asi 10 90krát), vždyť Vesmír se celou tu dobu rozpíná! A samozřejmě zůstane energie vakua, která bude naprosto ovládnout Vesmír.

Mimochodem, vlastnosti takového prostoru poprvé studoval W. de Sitter již v roce 1922. Takže naši potomci budou muset buď změnit fyzikální zákony vesmíru, nebo se přestěhovat do jiných vesmírů. Teď se to zdá neuvěřitelné, ale chci věřit v sílu lidstva, bez ohledu na to, jak to lidstvo může v tak vzdálené budoucnosti vypadat. Protože má spoustu času. Mimochodem, je možné, že i nyní, aniž bychom to věděli, vytváříme nové vesmíry. Aby mohl ve velmi malé oblasti vzniknout nový vesmír, je nutné zahájit inflační proces, který je možný pouze při vysokých hustotách energie. Experimentátoři ale takové oblasti vytvářeli již dlouhou dobu srážkou částic na urychlovačích. A přestože tyto energie mají k inflaci stále velmi daleko, pravděpodobnost vytvoření vesmíru na urychlovači se již nerovná nule. Bohužel jsme tím stejným „vzdáleným pozorovatelem“, pro kterého je životnost tohoto „uměle vytvořeného“ vesmíru příliš krátká a nemůžeme do něj proniknout a vidět, co se tam děje...

Možné scénáře vývoje našeho světa
1. Pulzující model Vesmíru, ve kterém po období expanze přichází období kontrakce a vše končí Velkým třeskem
2. Vesmír s přísně upravenou průměrnou hustotou přesně rovnou kritické. V tomto případě je náš svět euklidovský a jeho expanze se neustále zpomaluje
3. Rovnoměrně se rozpínající setrvačností Vesmír. Ve prospěch takto otevřeného modelu světa donedávna svědčily údaje o výpočtu průměrné hustoty našeho Vesmíru.
4. Svět expandující stále větší rychlostí. Nejnovější experimentální data a teoretické výzkumy naznačují, že vesmír se rozpíná stále rychleji a navzdory euklidovské povaze našeho světa pro nás bude většina galaxií v budoucnu nedostupná. A za tak podivné uspořádání světa může temná energie, která je dnes spojena s jakousi vnitřní energií vakua, která vyplňuje veškerý prostor.

Sergey Rubin, doktor fyzikálních a matematických věd

Budoucnost vesmíru je jednou z hlavních otázek kosmologie, jejíž odpověď závisí především na takových vlastnostech a vlastnostech vesmíru, jako je jeho hmotnost, energie, průměrná hustota a rychlost expanze.

Co víme o vesmíru?

Pro začátek je třeba definovat samotný pojem „Vesmír“, který se odehrává jak v astronomii, tak ve filozofii. V oblasti astronomie se Vesmír nazývá Metagalaxie nebo jednoduše astronomický Vesmír. Z teoretického hlediska, se kterým počítá většina modelů a scénářů vývoje Vesmíru, se však jedná o kolosální systém, který přesahuje hranice možného pozorování.

Jednou z nejdůležitějších vlastností vesmíru, která byla objevena relativně nedávno, je téměř rovnoměrná a izotropní expanze, která se také ukázala jako zrychlená. V závislosti na době trvání této expanze může historie vesmíru trvat jeden ze dvou navrhovaných scénářů.

V prvním případě bude expanze pokračovat donekonečna, spolu s tím bude průměrná hustota hmoty ve vesmíru rychle klesat a přiblížit se nule. Stručně řečeno, vše začne kolapsem kup galaxií a skončí štěpením protonu na kvarky.

Druhý scénář zohledňuje postuláty obecné teorie relativity (GR), která říká, že s výrazným nárůstem hustoty hmoty se ohýbá časoprostor. Pokud se expanze přesto začne zpomalovat, pak se s největší pravděpodobností v určitém okamžiku změní ve kontrakci. Pak se vesmír začne zmenšovat a průměrná hustota jeho hmoty rychle poroste. S takovým průběhem událostí se bude podle GR časoprostor postupně zakřivovat, až se Vesmír uzavře sám do sebe jako povrch obyčejné koule, ale s většími rozměry, než jsme si dosud představovali.

Kosmologické epochy vesmíru

Ve snaze předpovědět budoucí osud astronomického vesmíru vědci rozdělili jeho existenci do následujících fází:

Navzdory tomu, že hmota Vesmíru postupně zaniká, samotný prostor se může vyvíjet podle čtyř hypotetických scénářů:

1. Pokud se expanze vesmíru časem zpomalí a pak se změní ve kontrakci, pak konečnou fází jeho života bude velká krize. V důsledku toho se veškerá hmota zhroutí a vrátí se do původního stavu – singularity.
2. Dalším scénářem je, že průměrná hustota hmoty ve Vesmíru je přesně určena a je taková, že expanze se postupně zpomaluje.
3. Nejpravděpodobnější, s ohledem na moderní výsledky pozorování, model. Znamená to rovnoměrné rozpínání vesmíru setrvačností.
4. Rychlý růst rychlosti rozpínání Vesmíru, který povede náš svět k tzv.