Scenáre pre budúcnosť vesmíru. Evolúcia vesmíru, jeho rôzne modely

Budúcnosť vesmíru je otázka zvažovaná v rámci fyzikálnej kozmológie. Rôzne vedecké teórie predpovedali veľa možných budúcich možností, medzi ktorými existujú názory na zničenie a nekonečný život vesmíru.

Po tom, čo väčšina vedcov prijala teóriu o stvorení Vesmíru Veľkým treskom a jeho následnom rýchlom rozširovaní, sa budúcnosť Vesmíru stala otázkou kozmológie, zvažovanej z rôznych uhlov pohľadu v závislosti od fyzikálnych vlastností Vesmíru: jeho hmotnosť a energia, priemerná hustota a rýchlosť expanzie.

Vesmír dnes pokračuje vo svojom vývoji, ako sa vyvíjajú jeho časti. Čas tohto vývoja pre každý typ objektu sa líši o viac ako jeden rád. A keď sa život predmetov jedného druhu končí, pre iných sa všetko len začína. To nám umožňuje rozdeliť vývoj vesmíru na epochy. Konečná podoba evolučného reťazca však závisí od rýchlosti a zrýchlenia expanzie: pri rovnomernej alebo takmer rovnomernej rýchlosti expanzie budú všetky štádiá evolúcie ukončené a všetky zásoby energie budú vyčerpané. Táto možnosť vývoja sa nazýva tepelná smrť.

Ak sa rýchlosť naďalej zvyšuje, potom od určitého okamihu sila rozpínajúca vesmír najprv prekročí gravitačné sily, ktoré držia galaxie v zhlukoch. Za nimi sa galaxie a hviezdokopy rozpadnú. A nakoniec, najužšie prepojené hviezdne systémy sa budú rozpadať ako posledné. Po určitom čase elektromagnetické sily nebudú schopné zabrániť rozpadu planét a menších objektov. Svet bude opäť existovať vo forme jednotlivých atómov. V ďalšej fáze sa rozpadnú aj jednotlivé atómy. Nedá sa presne povedať, čo bude nasledovať: v tomto štádiu moderná fyzika prestáva fungovať.

Vyššie uvedený scenár je scenár Big Rip.

Existuje aj opačný scenár – Big Crunch. Ak sa expanzia vesmíru spomalí, potom sa v budúcnosti zastaví a začne kompresia. Vývoj a vzhľad vesmíru budú určované kozmologickými epochami, kým sa jeho polomer nestane päťkrát menším ako ten moderný. Potom všetky hviezdokopy vo vesmíre vytvoria jedinú megakopu, ale galaxie nestratia svoju individualitu: stále sa v nich bude rodiť hviezd, vzplanú supernovy a možno sa rozvinie biologický život. Toto všetko sa skončí, keď sa Vesmír zmenší ešte 20-krát a stane sa 100-krát menším ako je teraz; v tej chvíli bude vesmír jednou obrovskou galaxiou.

Teplota reliktného pozadia dosiahne 274 K a ľad na terestrických planétach sa začne topiť. Ďalšia kompresia povedie k tomu, že žiarenie kozmického mikrovlnného pozadia zatmie aj centrálne svietidlo planetárneho systému a vypáli posledné výhonky života na planétach. A čoskoro potom sa samotné hviezdy a planéty vyparia alebo budú roztrhané na kusy. Stav vesmíru bude podobný tomu, aký bol v prvých okamihoch jeho vzniku. Ďalšie udalosti sa budú podobať tým, ktoré sa vyskytli na začiatku, ale prehraté v opačnom poradí: atómy sa rozpadajú na atómové jadrá a elektróny, žiarenie začne dominovať, potom sa atómové jadrá začnú rozpadať na protóny a neutróny, potom sa samotné protóny a neutróny rozpadajú na jednotlivé kvarkov, dochádza k veľkému zjednoteniu. V tejto chvíli, rovnako ako v momente Veľkého tresku, prestávajú fungovať nám známe fyzikálne zákony a nie je možné predpovedať budúci osud vesmíru.

Kozmologické éry
Predstavme si pojem kozmologická dekáda (η) ako desatinný exponent veku vesmíru v rokoch:

Vek hviezd (6 Toto je doba bez akýchkoľvek zdrojov energie. Zo všetkých procesov prebiehajúcich v posledných desaťročiach sa zachovali len zvyškové produkty: fotóny s obrovskou vlnovou dĺžkou, neutrína, elektróny a pozitróny. Teplota sa rýchlo blíži k absolútnej nule. Z času na čas pozitróny a elektróny vytvárajú nestabilné atómy pozitrónia, ich dlhodobým osudom je úplná anihilácia.

Vo vedeckom svete sa všeobecne uznáva, že vesmír vznikol ako výsledok Veľkého tresku. Táto teória je založená na skutočnosti, že energia a hmota (základy všetkých vecí) boli predtým v stave singularity. Vyznačuje sa nekonečnosťou teploty, hustoty a tlaku. Samotný stav singularity odmieta všetky fyzikálne zákony známe modernému svetu. Vedci sa domnievajú, že Vesmír vznikol z mikroskopickej častice, ktorá sa z doposiaľ neznámych príčin v dávnej minulosti dostala do nestabilného stavu a explodovala.

Pojem „veľký tresk“ sa začal používať v roku 1949 po publikovaní prác vedca F. Hoyla v populárno-vedeckých publikáciách. Dnes je teória „dynamického sa vyvíjajúceho modelu“ tak dobre rozvinutá, že fyzici dokážu opísať procesy prebiehajúce vo vesmíre do 10 sekúnd po výbuchu mikroskopickej častice, ktorá položila základ všetkým veciam.

Existuje niekoľko dôkazov teórie. Jedným z hlavných je kozmické mikrovlnné žiarenie pozadia, ktoré preniká celým Vesmírom. Mohla vzniknúť podľa moderných vedcov až v dôsledku veľkého tresku, v dôsledku interakcie mikroskopických častíc. Je to reliktné žiarenie, ktoré nám umožňuje spoznať tie časy, keď bol vesmír ako horiaci priestor a neexistovali žiadne hviezdy, planéty a samotná galaxia. Za druhý dôkaz zrodu všetkých vecí z Veľkého tresku sa považuje kozmologický červený posun, ktorý spočíva v znížení frekvencie žiarenia. To potvrdzuje odstraňovanie hviezd a galaxií najmä z Mliečnej dráhy a navzájom od seba vo všeobecnosti. To znamená, že to naznačuje, že vesmír sa rozpínal skôr a pokračuje v tom dodnes.

Stručná história vesmíru

• 10-45-10-37 sekúnd- inflačná expanzia


• 10-6 sekúnd- vznik kvarkov a elektrónov


• 10-5 sek- tvorba protónov a neutrónov


• 10 -4 sek. - 3 min- vznik jadier deutéria, hélia a lítia


• 400 tisíc rokov- tvorba atómov


• 15 miliónov rokov- pokračujúce rozširovanie plynového oblaku


• 1 miliarda rokov- zrod prvých hviezd a galaxií


• 10 - 15 miliárd rokov- vznik planét a inteligentného života


• 10 14 miliárd rokov- zastavenie procesu zrodu hviezd


• 10 37 miliárd rokov- vyčerpanie energie všetkých hviezd


• 10 40 miliárd rokov- vyparovanie čiernych dier a zrod elementárnych častíc


• 10 100 miliárd rokov- dokončenie vyparovania všetkých čiernych dier

Teória veľkého tresku bola skutočným prelomom vo vede. Vedcom to umožnilo odpovedať na mnohé otázky týkajúce sa zrodu vesmíru. Ale zároveň táto teória dala vzniknúť novým záhadám. Tou hlavnou je príčina samotného Veľkého tresku. Druhá otázka, na ktorú moderná veda nemá odpoveď, je, ako sa objavil priestor a čas. Podľa niektorých výskumníkov sa narodili spolu s hmotou a energiou. To znamená, že sú výsledkom Veľkého tresku. Potom sa však ukáže, že čas a priestor musia mať nejaký začiatok. To znamená, že určitá entita, neustále existujúca a nezávislá od ich ukazovateľov, mohla dobre spustiť procesy nestability v mikroskopickej častici, ktorá zrodila vesmír.

Čím viac výskumov sa v tomto smere vykonáva, tým viac otázok majú astrofyzici. Odpovede na ne čakajú ľudstvo v budúcnosti.

Otázka vzniku Vesmíru so všetkými jeho známymi aj neznámymi vlastnosťami znepokojuje ľudí od nepamäti. Ale až v 20. storočí, po objavení kozmologickej expanzie, sa otázka vývoja vesmíru začala postupne vyjasňovať. Nedávne vedecké údaje viedli k záveru, že náš vesmír sa zrodil pred 15 miliardami rokov v dôsledku Veľkého tresku. Ale čo presne v tej chvíli vybuchlo a čo vlastne existovalo pred Veľkým treskom, stále zostávalo záhadou. Inflačná teória vzniku nášho sveta, vytvorená na konci 20. storočia, umožnila výrazne pokročiť v riešení týchto problémov a všeobecný obraz prvých okamihov vesmíru je dnes dobre nakreslený, hoci mnohé problémy stále čakajú v krídlach.

Vedecký pohľad na stvorenie sveta

Do začiatku minulého storočia existovali len dva názory na vznik nášho Vesmíru. Vedci verili, že je večný a nemenný a teológovia hovorili, že Svet bol stvorený a bude mať koniec. Dvadsiate storočie, ktoré zničilo veľa z toho, čo bolo vytvorené v predchádzajúcich tisícročiach, dokázalo poskytnúť odpovede na väčšinu otázok, ktoré zamestnávali mysle vedcov minulosti. A možno jedným z najväčších úspechov minulého storočia je objasnenie otázky, ako vznikol vesmír, v ktorom žijeme, a aké hypotézy existujú o jeho budúcnosti.

Jednoduchý astronomický fakt – expanzia nášho Vesmíru – viedol ku kompletnej revízii všetkých kozmogonických konceptov a vývoju novej fyziky – fyziky vznikajúcich a zanikajúcich svetov. Len pred 70 rokmi Edwin Hubble zistil, že svetlo zo vzdialenejších galaxií je „červenšie“ ako svetlo z bližších. Navyše sa ukázalo, že rýchlosť recesie je úmerná vzdialenosti od Zeme (Hubbleov zákon expanzie). Toto bolo objavené vďaka Dopplerovmu javu (závislosť vlnovej dĺžky svetla od rýchlosti svetelného zdroja). Keďže vzdialenejšie galaxie sa javia viac „červené“, predpokladalo sa, že sa vzďaľujú vyššou rýchlosťou. Mimochodom, nerozptyľujú sa hviezdy alebo dokonca jednotlivé galaxie, ale zhluky galaxií. Hviezdy a galaxie, ktoré sú nám najbližšie, sú navzájom spojené gravitačnými silami a tvoria stabilné štruktúry. Navyše, bez ohľadu na to, ktorým smerom sa pozriete, zhluky galaxií sa vzďaľujú od Zeme rovnakou rýchlosťou a môže sa zdať, že naša Galaxia je stredom vesmíru, ale nie je to tak. Nech je pozorovateľ kdekoľvek, všade uvidí rovnaký obraz – všetky galaxie sa od neho rozptyľujú.

Ale takéto rozširovanie hmoty musí mať začiatok. To znamená, že všetky galaxie sa museli zrodiť v jednom bode. Výpočty ukazujú, že sa to stalo približne pred 15 miliardami rokov. V momente takejto explózie bola teplota veľmi vysoká a malo sa objaviť množstvo svetelných kvánt. Samozrejme, časom všetko vychladne a kvantá sa rozptýlia po vznikajúcom priestore, no ozveny Veľkého tresku mali prežiť dodnes.

Prvé potvrdenie výbuchu prišlo v roku 1964, keď americkí rádioastronómovia R. Wilson a A. Penzias objavili reliktné elektromagnetické žiarenie s teplotou asi 3° Kelvinovej stupnice (270°C). Práve tento pre vedcov neočakávaný objav ich presvedčil, že Veľký tresk skutočne prebehol a vesmír bol spočiatku veľmi horúci.

Teória veľkého tresku vysvetlila mnohé problémy, ktorým kozmológia čelí. Ale, žiaľ, alebo možno našťastie, vyvolalo aj množstvo nových otázok. Najmä: Čo sa stalo pred Veľkým treskom? Prečo má náš priestor nulové zakrivenie a euklidovská geometria, ktorá sa študuje v škole, je správna? Ak je teória veľkého tresku pravdivá, prečo je teda súčasná veľkosť nášho vesmíru oveľa väčšia ako 1 centimeter predpovedaný teóriou? Prečo je vesmír prekvapivo homogénny, zatiaľ čo pri akejkoľvek explózii sa hmota rozptýli rôznymi smermi extrémne nerovnomerne? Čo viedlo k počiatočnému zahriatiu vesmíru na nepredstaviteľnú teplotu vyššiu ako 10 13 K?

To všetko naznačovalo, že teória veľkého tresku bola neúplná. Dlho sa zdalo, že ďalej sa už postúpiť nedá. Len pred štvrťstoročím bol vďaka práci ruských fyzikov E. Glinera a A. Starobinského, ako aj Američana A. Husa popísaný nový fenomén - ultrarýchla inflačná expanzia Vesmíru. Opis tohto javu vychádza z dobre preštudovaných úsekov teoretickej fyziky – Einsteinovej všeobecnej teórie relativity a kvantovej teórie poľa. Dnes sa všeobecne uznáva, že práve takémuto obdobiu, nazývanému „inflácia“, predchádzal Veľký tresk.

Podstata inflácie

Keď sa snažíme poskytnúť predstavu o podstate počiatočného obdobia života Vesmíru, musíme pracovať s takými ultramalými a ultraveľkými číslami, že ich naša predstavivosť len ťažko vníma. Skúsme použiť nejaké prirovnanie, aby sme pochopili podstatu procesu inflácie.

Predstavme si horský svah pokrytý snehom, popretkávaný rôznymi drobnými predmetmi – okruhliakmi, konármi a kúskami ľadu. Niekto na vrchole tohto svahu urobil malú snehovú guľu a nechal ju kotúľať sa z hory. Pri pohybe nadol sa snehová guľa zväčšuje, pretože sa na ňu lepia nové vrstvy snehu so všetkými inklúziami. A čím väčšia je snehová guľa, tým rýchlejšie porastie. Veľmi skoro sa zmení z malej snehovej gule na obrovskú hrudu. Ak svah končí priepasťou, vletí do nej s čoraz väčšou rýchlosťou. Po dosiahnutí dna hrudka narazí na dno priepasti a jej zložky sa rozptýlia na všetky strany (mimochodom, časť kinetickej energie hrudy sa využije na ohrev okolia a poletujúceho snehu). Teraz popíšme hlavné ustanovenia teórie pomocou vyššie uvedenej analógie. V prvom rade museli fyzici zaviesť hypotetické pole, ktoré sa nazývalo „inflaton“ (od slova „inflácia“). Toto pole vyplnilo celý priestor (v našom prípade sneh na svahu). Vďaka náhodným výkyvom nadobudol rôzne hodnoty v ľubovoľných priestorových oblastiach a v rôznych časoch. Nič podstatné sa nestalo, kým sa náhodou nevytvorila jednotná konfigurácia tohto poľa s veľkosťou viac ako 10 -33 cm, čo sa týka vesmíru, ktorý pozorujeme, v prvých okamihoch svojho života mal podľa všetkého veľkosť 10 -27 cm. Predpokladá sa, že na takýchto mierkach už platia základné fyzikálne zákony, ktoré sú nám známe, takže je možné predpovedať ďalšie správanie systému. Ukazuje sa, že hneď potom sa priestorová oblasť obsadzovaná fluktuáciou (z latinského fluctuatio „oscilácia“, náhodné odchýlky pozorovaných fyzikálnych veličín od ich priemerných hodnôt) začne veľmi rýchlo zväčšovať a inflačné pole má tendenciu zaberať poloha, v ktorej je jeho energia minimálna (snehová guľa sa začala kotúľať). Táto expanzia trvá len 10 -35 sekúnd, ale tento čas stačí na to, aby sa priemer Vesmíru zväčšil aspoň 10 27-krát a do konca inflačného obdobia náš Vesmír nadobudol veľkosť približne 1 cm. Inflácia končí, keď nafukovacie pole dosahuje minimálnu energiu nie je kam ďalej klesať. V tomto prípade sa nahromadená kinetická energia mení na energiu rodiacich sa a odlietajúcich častíc, inými slovami, vesmír sa zahrieva. Práve tento moment sa dnes nazýva Veľký tresk.

Hora spomenutá vyššie môže mať veľmi zložitý terén – niekoľko rôznych nížin, pod nimi údolia a najrôznejšie kopce a pahorky. Snehové gule (budúce vesmíry) sa neustále rodia na vrchole hory v dôsledku kolísania poľa. Každá hrudka sa môže zasunúť do ktoréhokoľvek minima, čím sa zrodí vlastný vesmír so špecifickými parametrami. Navyše sa vesmíry môžu navzájom výrazne líšiť. Vlastnosti nášho Vesmíru sú úžasne prispôsobené na to, aby v ňom mohol vzniknúť inteligentný život. Iné vesmíry možno také šťastie nemali.

Ešte raz by som rád zdôraznil, že opísaný proces zrodu vesmíru „prakticky z ničoho“ je založený na prísne vedeckých výpočtoch. Napriek tomu má každá osoba, ktorá sa prvýkrát zoznámi s vyššie opísaným mechanizmom inflácie, veľa otázok.

V odpovedi na zložité otázky

Dnes sa náš vesmír skladá z veľkého počtu hviezd, nehovoriac o skrytej hmote. A môže sa zdať, že celková energia a hmotnosť vesmíru sú obrovské. A je úplne nepochopiteľné, ako sa toto všetko zmestilo do pôvodného objemu 10 -99 cm 3. Vo vesmíre však nie je len hmota, ale aj gravitačné pole. Je známe, že jeho energia je negatívna a ako sa ukázalo, v našom vesmíre gravitačná energia presne kompenzuje energiu obsiahnutú v časticiach, planétach, hviezdach a iných hmotných objektoch. Zákon zachovania energie je teda dokonale splnený a celková energia a hmotnosť nášho Vesmíru sa prakticky rovná nule. Práve táto okolnosť čiastočne vysvetľuje, prečo sa vznikajúci vesmír po svojom objavení okamžite nepremenil na obrovskú čiernu dieru. Jeho celková hmotnosť bola úplne mikroskopická a spočiatku jednoducho nebolo čo zrútiť. A až v neskorších štádiách vývoja sa objavili miestne zhluky hmoty schopné vytvárať vo svojej blízkosti také gravitačné polia, že ani svetlo nemohlo uniknúť. Preto častice, z ktorých sú hviezdy „vyrobené“, jednoducho v počiatočnom štádiu vývoja neexistovali. Elementárne častice sa začali rodiť v období vývoja vesmíru, keď inflatónové pole dosiahlo minimum potenciálnej energie a začal sa Veľký tresk.

Oblasť obsadená inflatónovým poľom rástla rýchlosťou výrazne vyššou ako rýchlosť svetla, ale to vôbec nie je v rozpore s Einsteinovou teóriou relativity. Len hmotné telesá sa nemôžu pohybovať rýchlejšie ako svetlo a v tomto prípade sa posunula pomyselná, nehmotná hranica oblasti, kde sa zrodil Vesmír (príkladom nadsvetelného pohybu je pohyb svetelnej škvrny na povrchu Mesiaca počas rýchlej rotácie). laseru, ktorý ho osvetľuje).

Navyše, životné prostredie vôbec neodolalo rozširovaniu priestoru priestoru, ktorý pokrývalo čoraz rýchlejšie rastúce inflatónové pole, keďže pre vznikajúci svet akoby neexistovalo. Všeobecná relativita tvrdí, že fyzický obraz, ktorý pozorovateľ vidí, závisí od toho, kde sa nachádza a ako sa pohybuje. Vyššie popísaný obrázok teda platí pre „pozorovateľa“ nachádzajúceho sa v tejto oblasti. Navyše tento pozorovateľ nikdy nebude vedieť, čo sa deje mimo oblasti vesmíru, kde sa nachádza. Iný „pozorovateľ“ pri pohľade na túto oblasť zvonku nezaznamená vôbec žiadnu expanziu. V najlepšom prípade uvidí len malú iskričku, ktorá podľa jeho hodiniek takmer okamžite zmizne. Dokonca aj najsofistikovanejšia predstavivosť odmieta vnímať takýto obraz. A napriek tomu sa zdá, že je to pravda. Aspoň to si myslia moderní vedci, ktorí sa spoliehajú na už objavené zákony prírody, ktorých správnosť bola mnohokrát testovaná.

Treba povedať, že toto inflačné pole naďalej existuje a kolíše aj teraz. To však nedokážeme vidieť len my, vnitřní pozorovatelia – veď malá oblasť sa pre nás zmenila na kolosálny Vesmír, na ktorého hranice nedosiahne ani svetlo.

Takže hneď po skončení inflácie by hypotetický vnútorný pozorovateľ videl vesmír naplnený energiou vo forme hmotných častíc a fotónov. Ak sa všetka energia, ktorú môže vnútorný pozorovateľ zmerať, premení na hmotnosť častíc, dostaneme približne 10 80 kg. Vzdialenosti medzi časticami sa rýchlo zväčšujú v dôsledku všeobecnej expanzie. Gravitačné sily príťažlivosti medzi časticami znižujú ich rýchlosť, takže expanzia Vesmíru sa po skončení inflačného obdobia postupne spomaľuje.

Tieto nebezpečné antičastice

Ihneď po narodení Vesmír pokračoval v raste a ochladzovaní. Súčasne došlo k ochladeniu okrem iného v dôsledku banálnej expanzie vesmíru. Elektromagnetické žiarenie je charakterizované vlnovou dĺžkou, ktorá môže súvisieť s teplotou; čím dlhšia je priemerná vlnová dĺžka žiarenia, tým nižšia je teplota. Ak sa však priestor rozšíri, zväčší sa vzdialenosť medzi dvoma „hrbmi“ vlny a následne aj jej dĺžka. To znamená, že v rozširujúcom sa priestore by sa teplota žiarenia mala znižovať. Potvrdzuje to extrémne nízka teplota moderného kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia.

Ako sa rozširuje, mení sa aj zloženie hmoty vypĺňajúcej náš svet. Kvarky sa spájajú do protónov a neutrónov a vesmír je vyplnený nám už známymi elementárnymi časticami – protónmi, neutrónmi, elektrónmi, neutrínami a fotónmi. Prítomné sú aj antičastice. Vlastnosti častíc a antičastíc sú takmer totožné. Zdalo by sa, že ich počet by mal byť ihneď po inflácii rovnaký. Ale potom by sa všetky častice a antičastice vzájomne zničili a nezostal by žiadny stavebný materiál pre galaxie a nás samých. A tu sme mali opäť šťastie. Príroda sa postarala o to, aby tam bolo o niečo viac častíc ako antičastíc. Práve vďaka tomuto malému rozdielu existuje náš svet. A kozmické mikrovlnné žiarenie pozadia je práve dôsledkom anihilácie (teda vzájomnej deštrukcie) častíc a antičastíc. Samozrejme, v počiatočnom štádiu bola energia žiarenia veľmi vysoká, ale v dôsledku rozširovania priestoru a v dôsledku toho ochladzovania žiarenia sa táto energia rýchlo znížila. Teraz je energia kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia približne desaťtisíckrát (10 4-krát) menšia ako energia obsiahnutá v masívnych elementárnych časticiach.

Postupne teplota vesmíru klesla na 10 10 K. V tomto bode bol vek vesmíru približne 1 minúta. Až teraz sa protóny a neutróny dokázali spojiť do jadier deutéria, trícia a hélia. Stalo sa tak vďaka jadrovým reakciám, ktoré už ľudia dobre študovali pri výbuchoch termonukleárnych bômb a prevádzkovaní jadrových reaktorov na Zemi. Preto môžeme s istotou predpovedať, koľko a aké prvky sa môžu objaviť v takomto jadrovom kotle. Ukázalo sa, že aktuálne pozorované množstvo svetelných prvkov dobre súhlasí s výpočtami. To znamená, že nám známe fyzikálne zákony sú rovnaké v celej pozorovateľnej časti vesmíru a boli také už v prvých sekundách po objavení sa nášho sveta. Navyše asi 98 % hélia existujúceho v prírode vzniklo v prvých sekundách po Veľkom tresku.

Zrodenie galaxií

Vesmír hneď po narodení prešiel inflačným obdobím vývoja – všetky vzdialenosti rapídne narástli (z pohľadu vnútorného pozorovateľa). Hustota energie v rôznych bodoch priestoru však nemôže byť úplne rovnaká, vždy sú prítomné nejaké nehomogenity. Predpokladajme, že v niektorých oblastiach je energia o niečo väčšia ako v susedných oblastiach. Ale keďže všetky veľkosti rýchlo rastú, mala by rásť aj veľkosť tejto oblasti. Po skončení inflačného obdobia bude mať táto rozšírená oblasť o niečo viac častíc ako okolitá oblasť a jej teplota bude o niečo vyššia.

Uvedomujúc si nevyhnutnosť vzniku takýchto oblastí, priaznivci inflačnej teórie sa obrátili na experimentátorov: „Je potrebné odhaliť kolísanie teploty,“ uviedli. A v roku 1992 sa toto želanie splnilo. Takmer súčasne ruský satelit Relikt-1 a americký COBE objavili požadované výkyvy teploty žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia. Ako už bolo spomenuté, moderný vesmír má teplotu 2,7 K a teplotné odchýlky zistené vedcami od priemeru boli približne 0,00003 K. Nie je prekvapujúce, že takéto odchýlky bolo predtým ťažké odhaliť. Inflačná teória tak získala ďalšie potvrdenie.

S objavom kolísania teploty prichádza ďalšia vzrušujúca príležitosť vysvetliť, ako vznikajú galaxie. Koniec koncov, aby gravitačné sily stlačili hmotu, je potrebné počiatočné embryo - oblasť so zvýšenou hustotou. Ak je hmota v priestore rozložená rovnomerne, potom gravitácia, podobne ako Buridanov osol, nevie, ktorým smerom má pôsobiť. Ale sú to práve oblasti s prebytočnou energiou, ktoré vytvárajú infláciu. Teraz gravitačné sily vedia, kde majú pôsobiť, konkrétne hustejšie oblasti vytvorené počas inflačného obdobia. Vplyvom gravitácie sa tieto pôvodne trochu hustejšie oblasti stlačia a práve z nich budú v budúcnosti vznikať hviezdy a galaxie.

Šťastný darček

Súčasný moment vo vývoji vesmíru je mimoriadne dobre prispôsobený na život a bude trvať mnoho miliárd rokov. Hviezdy sa budú rodiť a umierať, galaxie sa budú otáčať a zrážať sa a zhluky galaxií budú lietať stále ďalej od seba. Preto má ľudstvo dostatok času na sebazdokonaľovanie. Je pravda, že samotný koncept „teraz“ pre taký obrovský vesmír, ako je ten náš, je zle definovaný. Napríklad život kvazarov pozorovaných astronómami, ktoré sú od Zeme vzdialené 10 x 14 miliárd svetelných rokov, je presne 10 x 14 miliárd rokov vzdialený od nášho „teraz“.

Dnes sú vedci schopní vysvetliť väčšinu vlastností nášho vesmíru, od okamihu 10 - 42 sekúnd až po súčasnosť a dokonca aj ďalej. Môžu tiež sledovať formovanie galaxií a predpovedať budúcnosť vesmíru s určitou istotou. Napriek tomu stále zostáva množstvo „menších“ neznámych. Ide predovšetkým o podstatu skrytej hmoty (temnej hmoty) a temnej energie. Okrem toho existuje veľa modelov, ktoré vysvetľujú, prečo náš vesmír obsahuje oveľa viac častíc ako antičastíc a rád by som sa konečne rozhodol pre správny model.

Ako nás učia dejiny vedy, zvyčajne sú to práve „malé nedokonalosti“, ktoré otvárajú ďalšie cesty rozvoja, takže budúce generácie vedcov budú mať určite čo robiť. Navyše, hlbšie otázky sú už na dennom poriadku fyzikov a matematikov. Prečo je náš priestor trojrozmerný? Prečo sa zdajú byť všetky konštanty v prírode „upravené“ tak, aby vznikol inteligentný život? A čo je gravitácia? Na tieto otázky sa už vedci pokúšajú odpovedať.

A samozrejme, nechajme priestor na prekvapenia. Nesmieme zabúdať, že také zásadné objavy, akými sú expanzia vesmíru, prítomnosť reliktných fotónov a energia vákua, boli urobené, dalo by sa povedať, náhodou a vedecká komunita ich neočakávala.

Vznik a dôsledky vákuovej energie

Čo čaká náš vesmír v budúcnosti? Ešte pred pár rokmi mali teoretici v tomto smere len dve možnosti. Ak je hustota energie vo vesmíre nízka, potom sa navždy roztiahne a postupne sa ochladí. Ak je hustota energie väčšia ako určitá kritická hodnota, potom bude expanzný stupeň nahradený kompresným stupňom. Vesmír sa zmenší a zahreje sa. To znamená, že jedným z kľúčových parametrov určujúcich vývoj vesmíru je priemerná hustota energie. Takže astrofyzikálne pozorovania uskutočnené pred rokom 1998 ukázali, že hustota energie bola približne 30 % kritickej hodnoty. A inflačné modely predpovedali, že hustota energie by sa mala rovnať kritickej. To apologétom inflačnej teórie príliš neprekážalo. Odmietli svojich oponentov a povedali, že chýbajúcich 70 % sa „nejako nájde“. A naozaj sa našli. Toto je veľké víťazstvo pre teóriu inflácie, hoci nájdená energia bola taká zvláštna, že vyvolala viac otázok ako odpovedí.
Zdá sa, že tmavá energia, ktorú hľadáme, je energiou samotného vákua.

V mysliach ľudí, ktorí sa nezaoberajú fyzikou, je vákuum „keď nie je nič“ – bez ohľadu na hmotu, žiadne častice, žiadne polia. Nie je to však celkom pravda. Štandardná definícia vákua je stav, v ktorom nie sú žiadne častice. Keďže energia je obsiahnutá presne v časticiach, potom, ako sa takmer všetci, vrátane vedcov, rozumne domnievali, neexistujú žiadne častice a neexistuje žiadna energia. To znamená, že energia vákua je nulová. Celý tento priaznivý obraz sa zrútil v roku 1998, keď astronomické pozorovania ukázali, že recesia galaxií sa mierne odchyľuje od Hubbleovho zákona. Šok spôsobený týmito pozorovaniami medzi kozmológmi netrval dlho. Veľmi rýchlo začali vychádzať články vysvetľujúce túto skutočnosť. Najjednoduchšia a najprirodzenejšia z nich sa ukázala byť myšlienka existencie pozitívnej vákuovej energie. Koniec koncov, vákuum znamená jednoducho neprítomnosť častíc, ale prečo môžu mať energiu iba častice? Ukázalo sa, že zistená tmavá energia je v priestore rozložená prekvapivo rovnomerne. Takúto homogenitu je ťažké dosiahnuť, pretože ak by táto energia bola obsiahnutá v nejakých neznámych časticiach, gravitačná interakcia by ich prinútila zhromaždiť sa do grandióznych konglomerátov, podobných galaxiám. Preto energia ukrytá vo vákuovom priestore veľmi elegantne vysvetľuje štruktúru nášho sveta.

Možné sú však aj iné, exotickejšie, možnosti usporiadania sveta. Napríklad model Quintessence, ktorého prvky navrhol sovietsky fyzik A.D. Dolgov v roku 1985 naznačuje, že stále kĺžeme z kopca, ktorý bol spomenutý na začiatku nášho príbehu. Okrem toho sme už veľmi dlho pokračovali a tento proces je v nedohľadne. Nezvyčajné meno, požičané od Aristotela, označuje určitú „novú esenciu“, ktorá má vysvetliť, prečo svet funguje tak, ako funguje, a nie inak.

Dnes je podstatne viac možností, ako odpovedať na otázku o budúcnosti nášho Vesmíru. A výrazne závisia od toho, ktorá teória vysvetľujúca skrytú energiu je správna. Predpokladajme, že je pravdivé najjednoduchšie vysvetlenie, v ktorom je energia vákua kladná a nemení sa s časom. V tomto prípade sa Vesmír nikdy nezmenší a nebude nám hroziť prehriatie a Veľký tresk. Ale všetky dobré veci majú svoju cenu. V tomto prípade, ako ukazujú výpočty, nikdy v budúcnosti nebudeme môcť dosiahnuť všetky hviezdy. Navyše počet galaxií viditeľných zo Zeme sa zníži a o 10 x 20 miliárd rokov bude mať ľudstvo k dispozícii len niekoľko susedných galaxií, vrátane našej Mliečnej dráhy, ako aj susednej Andromedy. Ľudstvo sa už nebude môcť kvantitatívne zvyšovať a potom sa budeme musieť zaoberať jeho kvalitatívnou zložkou. Ako útechu môžeme povedať, že niekoľko stoviek miliárd hviezd, ktoré nám budú prístupné v tak ďalekej budúcnosti, je tiež veľa.

Budeme však potrebovať hviezdy? 20 miliárd rokov je dlhá doba. Koniec koncov, len za niekoľko stoviek miliónov rokov sa život vyvinul z trilobitov na moderných ľudí. Takže naši vzdialení potomkovia sa od nás môžu výzorom a schopnosťami ešte viac líšiť ako my od trilobitov. Čo im podľa prognóz moderných vedcov sľubuje ešte vzdialenejšia budúcnosť? Je jasné, že hviezdy tak či onak „zomrú“, no vzniknú aj nové. Tento proces tiež nie je nekonečný – o približne 10-14 rokov podľa vedcov zostanú vo Vesmíre len slabo svietiace objekty – bieli a tmaví trpaslíci, neutrónové hviezdy a čierne diery. Takmer všetci zomrú o 10 37 rokov, keď vyčerpajú všetky svoje energetické zásoby. V tomto bode zostanú len čierne diery, ktoré pohltia všetku ostatnú hmotu. Čo môže zničiť čiernu dieru? Akýkoľvek z našich pokusov o to len zvyšuje jeho hmotnosť. Ale „pod mesiacom nič netrvá večne“. Ukazuje sa, že čierne diery pomaly vyžarujú častice. To znamená, že ich hmotnosť postupne klesá. Všetky čierne diery by tiež mali zmiznúť približne o 10 100 rokov. Potom zostanú iba elementárne častice, ktorých vzdialenosť bude oveľa väčšia ako veľkosť moderného vesmíru (asi 10 90-krát) - koniec koncov, celý ten čas sa vesmír rozpínal! A, samozrejme, zostane energia vákua, ktorá úplne ovládne vesmír.

Mimochodom, vlastnosti takéhoto priestoru prvýkrát študoval W. de Sitter už v roku 1922. Takže naši potomkovia budú musieť buď zmeniť fyzikálne zákony Vesmíru, alebo sa presťahovať do iných vesmírov. Teraz sa to zdá neuveriteľné, ale chcem veriť v silu ľudstva, bez ohľadu na to, ako ľudstvo vyzerá v takej vzdialenej budúcnosti. Lebo má dosť času. Mimochodom, je možné, že aj teraz, bez toho, aby sme o tom vedeli, vytvárame nové vesmíry. Aby mohol vzniknúť nový vesmír vo veľmi malom regióne, je potrebné spustiť inflačný proces, ktorý je možný len pri vysokej hustote energie. Experimentátori však takéto oblasti vytvárali už dlho zrážaním častíc v urýchľovačoch. A hoci tieto energie sú stále veľmi vzdialené od inflačných, pravdepodobnosť vytvorenia vesmíru na urýchľovači už nie je nulová. Žiaľ, sme tým istým „vzdialeným pozorovateľom“, pre ktorého je životnosť tohto „človekom vytvoreného“ vesmíru príliš krátka a nedokážeme doň preniknúť a vidieť, čo sa tam deje...

Možné scenáre vývoja nášho sveta
1. Pulzujúci model vesmíru, v ktorom po období expanzie začína obdobie kompresie a všetko končí veľkým treskom
2. Vesmír s prísne upravenou priemernou hustotou, presne rovnou kritickej. V tomto prípade je náš svet euklidovský a jeho expanzia sa neustále spomaľuje
3. Rovnomerne sa rozpínajúci vesmír v dôsledku zotrvačnosti. Až donedávna bolo v prospech takého otvoreného modelu sveta, že údaje o výpočte priemernej hustoty nášho vesmíru svedčili
4. Svet expandujúci stále väčšou rýchlosťou. Najnovšie experimentálne údaje a teoretické výskumy naznačujú, že vesmír sa vzďaľuje čoraz rýchlejšie a napriek euklidovskej povahe nášho sveta bude väčšina galaxií v budúcnosti pre nás nedostupná. A vina za takú zvláštnu štruktúru sveta je tá istá temná energia, ktorá je dnes spojená s nejakou vnútornou energiou vákua, ktorá vypĺňa celý priestor.

Sergey Rubin, doktor fyzikálnych a matematických vied

Budúcnosť vesmíru je jednou z hlavných otázok kozmológie, odpoveď na ktorú závisí predovšetkým od takých charakteristík a vlastností vesmíru, ako je jeho hmotnosť, energia, priemerná hustota a rýchlosť expanzie.

Čo vieme o vesmíre?

Na začiatok by sme mali definovať samotný pojem „vesmír“, ktorý má svoje miesto v astronómii aj filozofii. V oblasti astronómie sa vesmír nazýva Metagalaxia alebo jednoducho astronomický vesmír. Z teoretického hľadiska, s ktorým počíta väčšina modelov a scenárov vývoja Vesmíru, však ide o kolosálny systém, ktorý presahuje hranice možného pozorovania.

Jednou z najdôležitejších vlastností vesmíru, ktorá bola objavená relatívne nedávno, je takmer rovnomerná a izotropná expanzia, ktorá sa tiež ukázala ako zrýchlená. V závislosti od trvania tejto expanzie môže mať história vesmíru jeden z dvoch možných scenárov.

V prvom prípade bude expanzia pokračovať donekonečna a zároveň bude priemerná hustota hmoty vo Vesmíre rýchlo klesať a bude sa blížiť k nule. Stručne povedané, všetko sa začne rozpadom galaktických kôp a skončí sa rozdelením protónu na kvarky.

Druhý scenár zohľadňuje postuláty všeobecnej teórie relativity (GTR), ktorá tvrdí, že pri výraznom náraste hustoty hmoty dochádza k zakriveniu časopriestoru. Ak sa expanzia začne spomaľovať, potom sa s najväčšou pravdepodobnosťou v určitom bode zmení na kompresiu. Potom sa vesmír začne zmršťovať a priemerná hustota jeho hmoty sa rýchlo zvýši. S týmto priebehom udalostí sa podľa všeobecnej teórie relativity bude časopriestor postupne ohýbať, až kým sa Vesmír neuzavrie do seba, ako povrch obyčajnej gule, ale s väčšími rozmermi, než sme si zvykli predstaviť.

Kozmologické epochy vesmíru

V snahe predpovedať budúci osud astronomického vesmíru vedci rozdelili jeho existenciu do nasledujúcich etáp:

Napriek tomu, že hmota Vesmíru postupne ničí, samotný priestor sa môže vyvíjať podľa štyroch hypotetických scenárov:

1. Ak sa expanzia vesmíru časom spomalí a potom sa zmení na kompresiu, potom bude poslednou fázou jeho života veľká kríza. V dôsledku toho sa všetka hmota zrúti a vráti do pôvodného stavu – singularity.
2. Ďalším scenárom je, že priemerná hustota hmoty vo vesmíre je presne určená a je taká, že expanzia sa postupne spomaľuje.
3. Najpravdepodobnejší model vďaka moderným výsledkom pozorovania. Znamená to rovnomerné rozpínanie vesmíru zotrvačnosťou.
4. Rýchly nárast rýchlosti rozpínania Vesmíru, ktorý povedie náš svet k tzv.