Scenariji za budućnost svemira. Evolucija svemira, njeni različiti modeli

Budućnost svemira pitanje je koje se razmatra u okviru fizičke kozmologije. Različite znanstvene teorije predviđale su mnoge moguće opcije budućnosti, među kojima postoje i mišljenja o uništenju i beskrajnom životu Svemira.

Nakon što je većina znanstvenika prihvatila teoriju o nastanku Svemira kroz Veliki prasak i njegovu kasniju brzu ekspanziju, budućnost Svemira postala je pitanje kozmologije, razmatrano s različitih stajališta ovisno o fizičkim svojstvima Svemira: njegovu masu i energiju, prosječnu gustoću i brzinu širenja.

Svemir danas nastavlja svoju evoluciju, kako se razvijaju njegovi dijelovi. Vrijeme ove evolucije za svaku vrstu objekta razlikuje se za više od jednog reda veličine. A kada život objekata jedne vrste završi, onda za druge sve tek počinje. To nam omogućuje da evoluciju svemira podijelimo u epohe. No, konačni oblik evolucijskog lanca ovisi o brzini i ubrzanju širenja: jednolikom ili gotovo ujednačenom brzinom širenja završit će se svi stupnjevi evolucije i iscrpiti sve zalihe energije. Ova opcija razvoja naziva se toplinska smrt.

Ako se brzina nastavi povećavati, tada će, počevši od određenog trenutka, sila koja širi svemir prvo premašiti gravitacijske sile koje drže galaksije u klasterima. Iza njih će se raspadati galaksije i zvjezdani skupovi. I konačno, najuže povezani zvjezdani sustavi će se zadnji raspasti. Nakon nekog vremena elektromagnetske sile neće moći spriječiti raspadanje planeta i manjih objekata. Svijet će opet postojati u obliku pojedinačnih atoma. U sljedećoj će se fazi pojedinačni atomi također raspasti. Nemoguće je točno reći što će nakon toga uslijediti: u ovoj fazi moderna fizika prestaje djelovati.

Gore navedeni scenarij je Big Rip scenarij.

Postoji i suprotan scenarij - Big Crunch. Ako se širenje svemira uspori, onda će u budućnosti prestati i započet će kompresija. Evolucija i izgled Svemira određivat će kozmološke epohe sve dok njegov radijus ne postane pet puta manji od modernog. Tada će svi klasteri u Svemiru tvoriti jedan megaklaster, ali galaksije neće izgubiti svoju individualnost: u njima će se i dalje događati rađanje zvijezda, rasplamsati supernove i, moguće, razviti biološki život. Svemu će tome doći kraj kada se Svemir smanji još 20 puta i postane 100 puta manji nego što je sada; u tom trenutku Svemir će biti jedna ogromna galaksija.

Temperatura reliktne pozadine dosegnut će 274 K i led na zemaljskim planetima počet će se topiti. Daljnja kompresija će dovesti do činjenice da će zračenje kozmičke mikrovalne pozadine zasjeniti čak i središnje svjetiljke planetarnog sustava, spaljujući posljednje izdanke života na planetima. A ubrzo nakon toga, same zvijezde i planeti će ispariti ili biti raskomadani. Stanje Svemira bit će slično onom kakvo je bilo u prvim trenucima njegova nastanka. Daljnji događaji će nalikovati onima koji su se dogodili na početku, ali će se ponavljati obrnutim redoslijedom: atomi se raspadaju na atomske jezgre i elektrone, zračenje počinje dominirati, zatim se atomske jezgre počinju raspadati na protone i neutrone, zatim se sami protoni i neutroni raspadaju na pojedinačne kvarkova, događa se veliko ujedinjenje. U ovom trenutku, kao iu trenutku Velikog praska, prestaju djelovati nama poznati zakoni fizike i nemoguće je predvidjeti buduću sudbinu Svemira.

Kozmološke ere
Uvedimo koncept kozmološke dekade (η) kao decimalnog eksponenta starosti Svemira u godinama:

Doba zvijezda (6 Ovo je vrijeme bez ikakvih izvora energije. Sačuvani su samo rezidualni produkti svih procesa koji su se odvijali u proteklim desetljećima: fotoni ogromne valne duljine, neutrini, elektroni i pozitroni. Temperatura se ubrzano približava apsolutnoj nuli. S vremena na vrijeme pozitroni i elektroni formiraju nestabilne atome pozitronija, njihova je dugoročna sudbina potpuna anihilacija.

U znanstvenom svijetu opće je prihvaćeno da je Svemir nastao kao rezultat Velikog praska. Ova se teorija temelji na činjenici da su energija i materija (temelji svih stvari) prethodno bile u stanju singularnosti. Njega pak karakterizira beskonačnost temperature, gustoće i tlaka. Samo stanje singularnosti odbacuje sve zakone fizike poznate suvremenom svijetu. Znanstvenici vjeruju da je Svemir nastao od mikroskopske čestice, koja je iz još nepoznatih razloga u dalekoj prošlosti došla u nestabilno stanje i eksplodirala.

Pojam “Veliki prasak” počeo se koristiti 1949. godine nakon objavljivanja radova znanstvenika F. Hoylea u popularnoznanstvenim publikacijama. Danas je teorija "modela dinamičkog razvoja" toliko dobro razvijena da fizičari mogu opisati procese koji se odvijaju u svemiru unutar 10 sekundi nakon eksplozije mikroskopske čestice koja je postavila temelje za sve stvari.

Postoji nekoliko dokaza teorije. Jedan od glavnih je kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje koje prožima cijeli Svemir. Mogao je nastati, prema suvremenim znanstvenicima, samo kao rezultat Velikog praska, zbog interakcije mikroskopskih čestica. To je reliktno zračenje koje nam omogućuje da naučimo o onim vremenima kada je Svemir bio poput gorućeg prostora, a nije bilo zvijezda, planeta i same galaksije. Drugim dokazom rođenja svega iz Velikog praska smatra se kozmološki crveni pomak, koji se sastoji u smanjenju frekvencije zračenja. Ovo potvrđuje uklanjanje zvijezda i galaksija posebno od Mliječne staze i jedne od druge općenito. Odnosno, to ukazuje na to da se Svemir ranije širio i nastavlja to činiti do danas.

Kratka povijest svemira

• 10 -45 - 10 -37 sek- inflacijska ekspanzija


• 10 -6 sek- pojava kvarkova i elektrona


• 10 -5 sek- nastanak protona i neutrona


• 10 -4 s - 3 min- pojava jezgri deuterija, helija i litija


• 400 tisuća godina- stvaranje atoma


• 15 milijuna godina- nastavak širenja oblaka plina


• 1 milijardu godina- rađanje prvih zvijezda i galaksija


• 10-15 milijardi godina- nastanak planeta i inteligentnog života


• 10 14 milijardi godina- prestanak procesa rađanja zvijezda


• 10 37 milijardi godina- iscrpljivanje energije svih zvijezda


• 10 40 milijardi godina- isparavanje crnih rupa i rađanje elementarnih čestica


• 10 100 milijardi godina- završetak isparavanja svih crnih rupa

Teorija Velikog praska bila je pravi proboj u znanosti. Omogućio je znanstvenicima da odgovore na mnoga pitanja u vezi s rađanjem Svemira. Ali u isto vrijeme, ova je teorija izazvala nove misterije. Glavni je uzrok samog Velikog praska. Drugo pitanje na koje moderna znanost nema odgovor je kako su nastali prostor i vrijeme. Prema nekim istraživačima, rođeni su zajedno s materijom i energijom. Odnosno, rezultat su Velikog praska. No onda se ispostavlja da vrijeme i prostor moraju imati nekakav početak. Odnosno, određeni entitet, stalno postojaći i neovisno o svojim pokazateljima, mogao je pokrenuti procese nestabilnosti u mikroskopskoj čestici koja je rodila Svemir.

Što se više istraživanja provodi u tom smjeru, to više pitanja astrofizičara ima. Odgovori na njih čekaju čovječanstvo u budućnosti.

Pitanje nastanka Svemira sa svim njegovim poznatim i još nepoznatim svojstvima zabrinjava ljude od pamtivijeka. Ali tek u 20. stoljeću, nakon otkrića kozmološke ekspanzije, pitanje evolucije Svemira počelo se postupno razjašnjavati. Najnoviji znanstveni podaci doveli su do zaključka da je naš svemir nastao prije 15 milijardi godina kao rezultat Velikog praska. No, što je točno eksplodiralo u tom trenutku i što je zapravo postojalo prije Velikog praska i dalje je ostala tajna. Inflatorna teorija nastanka našeg svijeta, nastala krajem 20. stoljeća, omogućila je značajan napredak u rješavanju ovih pitanja, a opća slika prvih trenutaka Svemira sada je dobro nacrtana, iako mnogi problemi još uvijek čekaju svoja krila.

Znanstveni pogled na stvaranje svijeta

Do početka prošlog stoljeća postojala su samo dva pogleda na nastanak našeg Svemira. Znanstvenici su vjerovali da je vječan i nepromjenjiv, a teolozi da je svijet stvoren i da će mu doći kraj. Dvadeseto stoljeće, nakon što je uništilo velik dio onoga što je stvoreno u prethodnim tisućljećima, uspjelo je dati svoje odgovore na većinu pitanja koja su zaokupljala umove znanstvenika prošlosti. A možda je jedno od najvećih postignuća prošlog stoljeća razjasniti pitanje kako je nastao Svemir u kojem živimo i koje hipoteze postoje o njegovoj budućnosti.

Jednostavna astronomska činjenica - širenje našeg Svemira - dovela je do potpune revizije svih kozmogonijskih koncepata i razvoja nove fizike - fizike nastajanja i nestajanja svjetova. Prije samo 70 godina Edwin Hubble otkrio je da je svjetlost iz udaljenijih galaksija "crvenija" od svjetlosti iz bližih. Štoviše, pokazalo se da je brzina recesije proporcionalna udaljenosti od Zemlje (Hubbleov zakon širenja). To je otkriveno zahvaljujući Dopplerovom efektu (ovisnost valne duljine svjetlosti o brzini izvora svjetlosti). Budući da se udaljenije galaksije čine više "crvenima", pretpostavilo se da se udaljavaju većom brzinom. Usput, ne raspršuju se zvijezde ili čak pojedinačne galaksije, već jata galaksija. Nama najbliže zvijezde i galaksije međusobno su povezane gravitacijskim silama i tvore stabilne strukture. Štoviše, u kojem god smjeru gledali, jata galaksija udaljavaju se od Zemlje istom brzinom i može se činiti da je naša Galaksija središte Svemira, ali nije tako. Gdje god da je promatrač, posvuda će vidjeti istu sliku - sve galaksije se raspršuju od njega.

Ali takvo širenje materije mora imati početak. To znači da su se sve galaksije morale roditi u jednom trenutku. Izračuni pokazuju da se to dogodilo prije otprilike 15 milijardi godina. U trenutku takve eksplozije temperatura je bila vrlo visoka i trebalo se pojaviti puno kvanta svjetlosti. Naravno, s vremenom se sve hladi, a kvanti se raspršuju po svemiru u nastajanju, ali odjeci Velikog praska trebali su preživjeti do danas.

Prva potvrda eksplozije došla je 1964. godine, kada su američki radioastronomi R. Wilson i A. Penzias otkrili reliktno elektromagnetsko zračenje s temperaturom od oko 3° Kelvinove ljestvice (270°C). Upravo to otkriće, neočekivano za znanstvenike, uvjerilo ih je da se Veliki prasak zaista dogodio i da je svemir isprva bio vrlo vruć.

Teorija Velikog praska objasnila je mnoge probleme s kojima se suočava kozmologija. No, nažalost, ili možda na sreću, otvorila je i niz novih pitanja. Konkretno: Što se dogodilo prije Velikog praska? Zašto naš prostor ima nultu zakrivljenost, a euklidska geometrija koja se uči u školi je točna? Ako je teorija Velikog praska istinita, zašto je onda trenutna veličina našeg Svemira toliko veća od 1 centimetra koji predviđa teorija? Zašto je svemir iznenađujuće homogen, dok se tijekom svake eksplozije materija raspršuje u različitim smjerovima krajnje neravnomjerno? Što je dovelo do početnog zagrijavanja Svemira na nezamislivu temperaturu veću od 10 13 K?

Sve je to ukazivalo da je teorija Velikog praska nepotpuna. Dugo se činilo da se dalje više ne može napredovati. Tek prije četvrt stoljeća, zahvaljujući radovima ruskih fizičara E. Glinera i A. Starobinskog, kao i američkog A. Husa, opisana je nova pojava - ultrabrzo inflatorno širenje Svemira. Opis ovog fenomena temelji se na dobro proučenim dijelovima teorijske fizike - Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti i kvantnoj teoriji polja. Danas je općeprihvaćeno da je upravo takvo razdoblje, nazvano "inflacija", prethodilo Velikom prasku.

Suština inflacije

Kada pokušavamo dati ideju o suštini početnog razdoblja života Svemira, moramo operirati s tako ultra-malim i ultra-velikim brojevima da ih naša mašta teško percipira. Pokušajmo upotrijebiti neku analogiju kako bismo razumjeli bit procesa inflacije.

Zamislimo planinsku padinu prekrivenu snijegom, prošaranu raznim sitnim predmetima – kamenčićima, granama i komadićima leda. Netko je na vrhu ove padine napravio malu grudvu snijega i pustio je da se kotrlja niz planinu. Krećući se prema dolje, gruda snijega se povećava, jer se na nju lijepe novi slojevi snijega sa svim inkluzijama. A što je gruda snijega veća, to će brže rasti. Vrlo brzo će se iz male grudve snijega pretvoriti u golemu grudicu. Ako padina završi u provaliji, on će letjeti u nju sve većom brzinom. Dosegnuvši dno, grumen će udariti u dno ponora i njegove komponente će se raspršiti na sve strane (usput, dio kinetičke energije grude će se koristiti za zagrijavanje okoline i letećeg snijega). Sada ćemo opisati glavne odredbe teorije koristeći gornju analogiju. Prije svega, fizičari su morali uvesti hipotetsko polje, koje je nazvano "inflaton" (od riječi "inflacija"). Ovo polje ispunilo je cijeli prostor (u našem slučaju snijeg na padini). Zahvaljujući nasumičnim fluktuacijama, poprimio je različite vrijednosti u proizvoljnim prostornim regijama iu različitim vremenima. Ništa se značajno nije dogodilo sve dok se slučajno nije formirala uniformna konfiguracija ovog polja veličine veće od 10 -33 cm. Što se tiče Svemira koji promatramo, on je u prvim trenucima svog života izgleda imao veličinu od 10 -27 cm. Pretpostavlja se da Na takvim mjerilima već vrijede osnovni zakoni fizike koji su nam danas poznati, pa je moguće predvidjeti daljnje ponašanje sustava. Ispostavilo se da se odmah nakon toga prostorno područje zauzeto fluktuacijom (od latinskog fluctuatio "oscilacija", nasumična odstupanja promatranih fizikalnih veličina od njihovih prosječnih vrijednosti) počinje vrlo brzo povećavati, a inflatonsko polje nastoji zauzeti položaj u kojem je njegova energija minimalna (gruda se počela kotrljati). Ovo širenje traje samo 10 -35 sekundi, ali to vrijeme je dovoljno da se promjer Svemira poveća najmanje 10 27 puta i da do kraja inflacijskog razdoblja naš Svemir poprimi veličinu od otprilike 1 cm inflatonsko polje dosegne minimalnu energiju nema kamo dalje pasti. U tom slučaju akumulirana kinetička energija prelazi u energiju čestica koje se rađaju i razlijeću, drugim riječima, svemir se zagrijava. Upravo taj trenutak danas se naziva Veliki prasak.

Gore spomenuta planina može imati vrlo složen teren - nekoliko različitih nižina, doline ispod i sve vrste brda i humova. Snježne grudve (budući svemiri) neprestano se rađaju na vrhu planine zbog fluktuacija polja. Svaki grumen može skliznuti u bilo koji od minimuma, rađajući vlastiti svemir sa specifičnim parametrima. Štoviše, svemiri se mogu značajno razlikovati jedan od drugoga. Svojstva našeg svemira su nevjerojatno prilagođena za nastanak inteligentnog života u njemu. Drugi svemiri možda nisu bili te sreće.

Još jednom želim naglasiti da je opisani proces rađanja Svemira “praktički ni iz čega” zasnovan na strogo znanstvenim proračunima. Ipak, svaka osoba koja se prvi put upozna s gore opisanim mehanizmom inflacije ima mnogo pitanja.

Kao odgovor na škakljiva pitanja

Danas se naš Svemir sastoji od velikog broja zvijezda, a da ne spominjemo skrivenu masu. I može se činiti da su ukupna energija i masa Svemira ogromne. I potpuno je neshvatljivo kako je sve to moglo stati u izvorni volumen od 10 -99 cm3. Međutim, u Svemiru ne postoji samo materija, već i gravitacijsko polje. Poznato je da je energija potonjeg negativna i, kako se pokazalo, u našem svemiru gravitacijska energija točno kompenzira energiju sadržanu u česticama, planetima, zvijezdama i drugim masivnim objektima. Time je zakon održanja energije savršeno ispunjen, a ukupna energija i masa našeg Svemira praktički su jednake nuli. Upravo ta okolnost djelomično objašnjava zašto se Svemir u nastajanju nije odmah nakon svoje pojave pretvorio u ogromnu crnu rupu. Njegova ukupna masa bila je potpuno mikroskopska i isprva se jednostavno nije imalo što urušiti. I tek u kasnijim fazama razvoja pojavile su se lokalne nakupine materije, sposobne stvoriti takva gravitacijska polja u svojoj blizini da ni svjetlost ne može pobjeći. Sukladno tome, čestice od kojih su zvijezde "napravljene" jednostavno nisu postojale u početnoj fazi razvoja. Elementarne čestice počele su se rađati u razdoblju razvoja Svemira kada je inflatonsko polje doseglo minimum potencijalne energije i započeo Veliki prasak.

Područje koje je zauzimalo inflatonsko polje raslo je brzinom znatno većom od brzine svjetlosti, ali to uopće nije u suprotnosti s Einsteinovom teorijom relativnosti. Samo se materijalna tijela ne mogu kretati brže od svjetlosti, au ovom slučaju se kretala zamišljena, nematerijalna granica područja u kojem je rođen Svemir (primjer superluminalnog kretanja je kretanje svjetlosne točke na površini Mjeseca tijekom brzog rotacija lasera koji ga osvjetljava).

Štoviše, okolina se uopće nije opirala širenju područja svemira koje je pokrivalo sve brže rastuće inflatonsko polje, budući da se činilo da ono za svijet u nastajanju uopće ne postoji. Opća relativnost tvrdi da fizička slika koju promatrač vidi ovisi o tome gdje se on nalazi i kako se kreće. Dakle, gore opisana slika vrijedi za “promatrača” koji se nalazi unutar ovog područja. Štoviše, ovaj promatrač nikada neće znati što se događa izvan područja prostora u kojem se nalazi. Drugi "promatrač" koji promatra ovo područje izvana neće otkriti nikakvo širenje. U najboljem slučaju, vidjet će samo malu iskru, koja će, prema njegovom satu, nestati gotovo trenutno. Čak i najsofisticiranija mašta odbija vidjeti takvu sliku. A ipak se čini da je istina. Barem tako misle moderni znanstvenici, crpeći povjerenje iz već otkrivenih zakona prirode, čija je ispravnost višestruko provjerena.

Mora se reći da ovo polje inflacije nastavlja postojati i fluktuirati čak i sada. Ali samo mi, unutarnji promatrači, to ne možemo vidjeti - uostalom, za nas se mali prostor pretvorio u kolosalan Svemir, čije granice ne može doseći ni svjetlost.

Dakle, odmah nakon završetka inflacije, hipotetski unutarnji promatrač bi vidio Svemir ispunjen energijom u obliku materijalnih čestica i fotona. Ako se sva energija koju bi unutarnji promatrač mogao izmjeriti pretvori u masu čestice, tada dobivamo približno 10 80 kg. Udaljenosti između čestica brzo se povećavaju zbog općeg širenja. Gravitacijske sile privlačenja među česticama smanjuju njihovu brzinu, pa se širenje Svemira postupno usporava nakon završetka razdoblja inflacije.

Ove opasne antičestice

Neposredno nakon rođenja, Svemir je nastavio rasti i hladiti se. Pritom je došlo do zahlađenja, između ostalog, i zbog banalnog širenja prostora. Elektromagnetsko zračenje karakterizira valna duljina koja se može povezati s temperaturom; što je dulja prosječna valna duljina zračenja, to je niža temperatura. Ali ako se prostor širi, tada će se povećati udaljenost između dvije "grbe" vala, a time i njegova duljina. To znači da bi se u prostoru koji se širi temperatura zračenja trebala smanjiti. To potvrđuje ekstremno niska temperatura suvremenog kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja.

Kako se širi, mijenja se i sastav materije koja ispunjava naš svijet. Kvarkovi se spajaju u protone i neutrone i ispada da je svemir ispunjen elementarnim česticama koje smo već poznavali - protonima, neutronima, elektronima, neutrinima i fotonima. Prisutne su i antičestice. Svojstva čestica i antičestica gotovo su identična. Čini se da bi njihov broj trebao biti isti odmah nakon inflacije. Ali tada bi sve čestice i antičestice bile međusobno uništene i ne bi ostalo građevnog materijala za galaksije i nas same. I tu smo opet imali sreće. Priroda se pobrinula da čestica bude nešto više nego antičestica. Upravo zahvaljujući toj maloj razlici naš svijet postoji. A kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje je upravo posljedica anihilacije (odnosno međusobnog uništenja) čestica i antičestica. Naravno, u početnoj fazi energija zračenja bila je vrlo visoka, ali zbog širenja prostora i, kao posljedica toga, hlađenja zračenja, ta se energija brzo smanjila. Sada je energija kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja otprilike deset tisuća puta (10 4 puta) manja od energije sadržane u masivnim elementarnim česticama.

Postupno je temperatura svemira pala na 10 10 K. U tom je trenutku starost svemira bila otprilike 1 minutu. Tek sada su se protoni i neutroni mogli spojiti u jezgre deuterija, tricija i helija. To se dogodilo zahvaljujući nuklearnim reakcijama, koje su ljudi već dobro proučili eksplodirajući termonuklearne bombe i radeći nuklearne reaktore na Zemlji. Stoga možemo pouzdano predvidjeti koliko i koji se elementi mogu pojaviti u takvom nuklearnom kotlu. Ispostavilo se da se trenutačno promatrano obilje lakih elemenata dobro slaže s izračunima. To znači da su nama poznati fizikalni zakoni isti u cijelom vidljivom dijelu Svemira i takvi su bili već u prvim sekundama nakon nastanka našeg svijeta. Štoviše, oko 98% helija koji postoji u prirodi nastalo je u prvim sekundama nakon Velikog praska.

Rađanje galaksija

Neposredno nakon rođenja, Svemir je prošao kroz inflacijsko razdoblje razvoja - sve su se udaljenosti naglo povećale (sa stajališta unutarnjeg promatrača). Međutim, gustoća energije na različitim točkama u prostoru ne može biti potpuno ista; uvijek su prisutne neke nehomogenosti. Pretpostavimo da je u nekom području energija malo veća nego u susjednim. Ali budući da sve veličine brzo rastu, onda bi trebala rasti i veličina ovog područja. Nakon što završi razdoblje inflacije, ovo prošireno područje će imati nešto više čestica od okolnog područja, a temperatura će mu biti nešto viša.

Shvaćajući neizbježnost nastanka takvih područja, pristaše teorije inflacije obratili su se eksperimentatorima: "potrebno je otkriti temperaturne fluktuacije", izjavili su. I 1992. godine ta se želja ispunila. Gotovo istovremeno, ruski satelit Relikt-1 i američki COBE otkrili su potrebne fluktuacije u temperaturi kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Kao što je već spomenuto, moderni Svemir ima temperaturu od 2,7 K, a temperaturna odstupanja koja su utvrdili znanstvenici od prosjeka bila su približno 0,00003 K. Nije iznenađujuće da je takva odstupanja prije bilo teško otkriti. Time je teorija inflacije dobila dodatnu potvrdu.

S otkrićem temperaturnih fluktuacija dolazi još jedna uzbudljiva prilika da se objasni kako nastaju galaksije. Uostalom, da bi gravitacijske sile komprimirale materiju, potreban je početni embrij - područje povećane gustoće. Ako je materija jednoliko raspoređena u prostoru, onda gravitacija, poput Buridanova magarca, ne zna u kojem smjeru treba djelovati. No, upravo su područja s viškom energije ta koja generiraju inflaciju. Sada gravitacijske sile znaju gdje djelovati, naime gušća područja stvorena tijekom inflatornog razdoblja. Pod utjecajem gravitacije ta će se u početku malo gušća područja stisnuti i upravo će iz njih u budućnosti nastati zvijezde i galaksije.

Sretna sadašnjost

Trenutačni trenutak u evoluciji Svemira izuzetno je dobro prilagođen za život i trajat će još mnogo milijardi godina. Zvijezde će se rađati i umirati, galaksije će se okretati i sudarati, a jata galaksija letjet će sve dalje jedna od druge. Stoga čovječanstvo ima dovoljno vremena za samousavršavanje. Istina, sam koncept "sada" za tako golemi Svemir kao što je naš loše je definiran. Na primjer, život kvazara koje promatraju astronomi, a koji su udaljeni od Zemlje 10 x 14 milijardi svjetlosnih godina, točno je 10 x 14 milijardi godina udaljen od našeg "sada".

Danas su znanstvenici u stanju objasniti većinu svojstava našeg Svemira, od trenutka 10 -42 sekunde do danas pa čak i dalje. Oni također mogu pratiti nastanak galaksija i s određenom sigurnošću predvidjeti budućnost Svemira. Ipak, još uvijek ostaje niz “sitnih” nepoznanica. To je prvenstveno bit skrivene mase (tamne materije) i tamne energije. Osim toga, postoje mnogi modeli koji objašnjavaju zašto naš Svemir sadrži mnogo više čestica nego antičestica, i volio bih se konačno odlučiti za točan model.

Kako nas povijest znanosti uči, obično su “male nesavršenosti” te koje otvaraju daljnje putove razvoja, tako da će buduće generacije znanstvenika sigurno imati što raditi. Osim toga, dublja pitanja također su već na dnevnom redu fizičara i matematičara. Zašto je naš prostor trodimenzionalan? Zašto se čini da su sve konstante u prirodi "podešene" tako da nastaje inteligentan život? A što je gravitacija? Znanstvenici već pokušavaju odgovoriti na ova pitanja.

I naravno, ostavimo mjesta iznenađenjima. Ne smijemo zaboraviti da su temeljna otkrića poput širenja svemira, prisutnosti reliktnih fotona i energije vakuuma napravljena, moglo bi se reći, slučajno i da ih znanstvena zajednica nije očekivala.

Podrijetlo i posljedice vakuumske energije

Što čeka naš Svemir u budućnosti? Prije samo nekoliko godina teoretičari su u tom pogledu imali samo dvije mogućnosti. Ako je gustoća energije u svemiru niska, tada će se širiti zauvijek i postupno hladiti. Ako je gustoća energije veća od određene kritične vrijednosti, tada će stupanj ekspanzije biti zamijenjen stupnjem kompresije. Svemir će se smanjiti i zagrijati. To znači da je jedan od ključnih parametara koji određuju razvoj Svemira prosječna gustoća energije. Dakle, astrofizička promatranja provedena prije 1998. pokazala su da je gustoća energije približno 30% kritične vrijednosti. A inflatorni modeli predviđali su da bi gustoća energije trebala biti jednaka kritičnoj. Apologetima teorije inflacije to nije previše smetalo. Odbacili su svoje protivnike i rekli da će se onih 70% koji nedostaju nekako pronaći. I stvarno su pronađeni. Ovo je velika pobjeda za teoriju inflacije, iako je pronađena energija bila toliko čudna da je izazvala više pitanja nego odgovora.
Čini se da je tamna energija koju tražimo energija samog vakuuma.

U glavama ljudi koji se ne bave fizikom, vakuum je "kada nema ničega" - nema materije, nema čestica, nema polja. Međutim, to nije sasvim točno. Standardna definicija vakuuma je stanje u kojem nema čestica. Budući da je energija sadržana upravo u česticama, onda, kao što su gotovo svi, uključujući i znanstvenike, razumno vjerovali, nema čestica i nema energije. To znači da je energija vakuuma nula. Cijela ta benigna slika srušila se 1998. godine, kada su astronomska promatranja pokazala da recesija galaksija malo odstupa od Hubbleovog zakona. Šok izazvan ovim opažanjima među kozmolozima nije dugo trajao. Vrlo brzo počeli su izlaziti članci koji su objašnjavali tu činjenicu. Najjednostavnija i najprirodnija od njih se pokazala kao ideja o postojanju pozitivne energije vakuuma. Uostalom, vakuum, uostalom, jednostavno znači odsutnost čestica, ali zašto samo čestice mogu imati energiju? Pokazalo se da je otkrivena tamna energija iznenađujuće ravnomjerno raspoređena u prostoru. Takvu homogenost teško je postići, jer kada bi se ta energija nalazila u nekim nepoznatim česticama, gravitacijska interakcija bi ih natjerala da se okupe u grandiozne konglomerate, slične galaksijama. Dakle, energija skrivena u vakuumskom prostoru vrlo elegantno objašnjava strukturu našeg svijeta.

Međutim, moguće su i druge, egzotičnije opcije svjetskog poretka. Na primjer, model Quintessence, čije je elemente predložio sovjetski fizičar A.D. Dolgov 1985., sugerira da još uvijek klizimo niz isto brdo koje je spomenuto na početku naše priče. Štoviše, kotrljamo se jako dugo i tom se procesu ne nazire kraj. Neobičan naziv, posuđen od Aristotela, označava određenu "novu bit" osmišljenu da objasni zašto svijet funkcionira na način na koji funkcionira, a ne drugačije.

Danas postoji znatno više opcija za odgovor na pitanje o budućnosti našeg Svemira. I oni značajno ovise o tome koja je teorija koja objašnjava skrivenu energiju točna. Pretpostavimo da je istinito najjednostavnije objašnjenje u kojem je energija vakuuma pozitivna i ne mijenja se s vremenom. U tom slučaju Svemir se nikada neće smanjiti i nećemo biti u opasnosti od pregrijavanja i Velikog praska. Ali sve dobre stvari imaju svoju cijenu. U ovom slučaju, kako pokazuju izračuni, u budućnosti nikada nećemo moći dosegnuti sve zvijezde. Štoviše, smanjit će se broj galaksija vidljivih sa Zemlje, a za 10 x 20 milijardi godina čovječanstvo će imati na raspolaganju samo nekoliko susjednih galaksija, uključujući našu Mliječnu stazu, kao i susjednu Andromedu. Čovječanstvo se više neće moći kvantitativno povećavati, a onda ćemo se morati pozabaviti njegovom kvalitativnom komponentom. Za utjehu možemo reći da je i nekoliko stotina milijardi zvijezda koje će nam biti dostupne u tako dalekoj budućnosti također puno.

Međutim, hoćemo li trebati zvijezde? 20 milijardi godina je dugo vrijeme. Uostalom, u samo nekoliko stotina milijuna godina život se razvio od trilobita do modernog čovjeka. Dakle, naši daleki potomci mogu se još više razlikovati od nas po izgledu i sposobnostima nego mi od trilobita. Što im obećava još dalja budućnost, prema prognozama suvremenih znanstvenika? Jasno je da će zvijezde na ovaj ili onaj način “umrijeti”, ali će nastati i nove. Taj proces također nije beskonačan - za otprilike 10-14 godina, prema znanstvenicima, u Svemiru će ostati samo slabo svjetleći objekti - bijeli i tamni patuljci, neutronske zvijezde i crne rupe. Gotovo svi oni će također umrijeti za 10 37 godina, nakon što su iscrpili sve svoje rezerve energije. Do ove točke ostat će samo crne rupe koje su apsorbirale svu ostalu materiju. Što može uništiti crnu rupu? Svaki naš pokušaj da to učinimo samo povećava njegovu masu. Ali "ništa ne traje vječno pod mjesecom." Ispostavilo se da crne rupe polako emitiraju čestice. To znači da se njihova masa postupno smanjuje. Sve crne rupe također bi trebale nestati za oko 10.100 godina. Nakon toga će ostati samo elementarne čestice, čija će udaljenost biti mnogo veća od veličine modernog Svemira (oko 10 90 puta) - na kraju krajeva, sve ovo vrijeme Svemir se širio! I, naravno, ostat će energija vakuuma, koja će apsolutno dominirati Svemirom.

Inače, svojstva takvog prostora prvi je proučavao W. de Sitter još 1922. godine. Dakle, naši će potomci morati ili promijeniti fizikalne zakone Svemira ili se preseliti u druge svemire. Sada to izgleda nevjerojatno, ali želim vjerovati u snagu čovječanstva, ma kako ono, čovječanstvo, izgledalo u tako dalekoj budućnosti. Jer ima dovoljno vremena. Usput, moguće je da čak i sada, a da to ne znamo, stvaramo nove svemire. Da bi novi svemir nastao u vrlo malom području, potrebno je pokrenuti inflacijski proces, koji je moguć samo pri velikim gustoćama energije. Ali eksperimentatori već dugo stvaraju takva područja sudarajući čestice u akceleratorima. I premda su te energije još uvijek jako daleko od inflacijskih, vjerojatnost stvaranja svemira na akceleratoru više nije nula. Nažalost, mi smo isti “daljinski promatrač” za kojeg je životni vijek ovog “umjetno stvorenog” svemira prekratak, te ne možemo prodrijeti u njega i vidjeti što se tamo događa...

Mogući scenariji razvoja našeg svijeta
1. Pulsirajući model svemira u kojem nakon razdoblja širenja počinje razdoblje kompresije i sve završava Velikim praskom
2. Svemir sa strogo podešenom prosječnom gustoćom, točno jednakom kritičnoj. U ovom slučaju naš svijet je euklidski i njegovo širenje se sve vrijeme usporava
3. Uniformno širenje svemira zbog inercije. U prilog tako otvorenom modelu svijeta donedavno su svjedočili podaci o izračunavanju prosječne gustoće našeg Svemira
4. Svijet koji se širi sve većom brzinom. Najnoviji eksperimentalni podaci i teorijska istraživanja pokazuju da se Svemir sve brže udaljava, a unatoč euklidskoj prirodi našeg svijeta, većina galaksija u budućnosti bit će nam nedostupna. A za tako čudnu strukturu svijeta kriva je ta ista tamna energija, koja se danas povezuje s nekom unutarnjom energijom vakuuma koji ispunjava sav prostor.

Sergey Rubin, doktor fizikalnih i matematičkih znanosti

Budućnost svemira jedno je od glavnih pitanja kozmologije, čiji odgovor ovisi, prije svega, o karakteristikama i svojstvima svemira kao što su njegova masa, energija, prosječna gustoća i brzina širenja.

Što znamo o Svemiru?

Za početak, trebali bismo definirati sam pojam “Svemir” koji ima svoje mjesto kako u astronomiji tako iu filozofiji. U polju astronomije, Svemir se naziva Metagalaksija ili jednostavno astronomski Svemir. Međutim, s teorijske točke gledišta, koju uzima u obzir većina modela i scenarija razvoja Svemira, riječ je o kolosalnom sustavu koji nadilazi granice mogućeg promatranja.

Jedno od najvažnijih svojstava Svemira, koje je otkriveno relativno nedavno, je gotovo ravnomjerno i izotropno širenje, za koje se pokazalo da je i ubrzano. Ovisno o trajanju ovog širenja, povijest svemira može poprimiti jedan od dva moguća scenarija.

U prvom slučaju, širenje će se nastaviti neograničeno dugo, a istovremeno će prosječna gustoća materije u Svemiru brzo padati, približavajući se nuli. Ukratko, sve će započeti raspadom klastera galaksija, a završiti diobom protona na kvarkove.

Drugi scenarij uzima u obzir postulate opće teorije relativnosti (OTR) koja kaže da se sa značajnim povećanjem gustoće materije zakrivljuje prostor-vrijeme. Ako se ekspanzija počne usporavati, najvjerojatnije će se u nekom trenutku pretvoriti u kompresiju. Tada će se Svemir početi smanjivati, a prosječna gustoća njegove materije brzo će rasti. Ovakvim tijekom događaja, prema općoj teoriji relativnosti, prostor-vrijeme će se postupno savijati sve dok se Svemir ne zatvori u sebe, poput površine obične kugle, ali s više dimenzija nego što smo navikli zamišljati.

Kozmološke epohe svemira

U pokušaju da predvidi buduću sudbinu astronomskog svemira, znanstvenici su njegovo postojanje podijelili u sljedeće faze:

Unatoč činjenici da se materija svemira postupno uništava, sam prostor može evoluirati prema četiri hipotetska scenarija:

1. Ako se tijekom vremena širenje svemira uspori i potom pretvori u kompresiju, tada će posljednja faza njegovog života biti veliki slom. Kao rezultat toga, sva materija kolabira i vraća se u svoje prvobitno stanje – singularnost.
2. Drugi scenarij je da je prosječna gustoća materije u Svemiru točno određena i takva da se širenje postupno usporava.
3. Najvjerojatniji model, temeljen na suvremenim rezultatima promatranja. Podrazumijeva ravnomjerno širenje Svemira, po inerciji.
4. Brzi porast brzine širenja Svemira, koji će dovesti naš svijet do tzv.