Дехто каже, що Всесвіт почне розширюватися все швидше, об’єкти в ньому будуть розірвані на атоми й усі ми помремо. Інші кажуть, що Всесвіт буде стискатися, аж поки не стане розміром із цятку, і ми всі помремо. Тож кому вірити та що насправді думають науковці про смерть Всесвіту?
Смерть Всесвіту
Відповідно до сучасних наукових уявлень, Всесвіт народився приблизно 13,8 млрд років тому в результаті Великого вибуху. На самому початку свого існування він являв собою компактний об’єкт з нескінченною густиною, всередині якого містилася вся речовина, енергія, простір і сам час, але поступово набув сучасного вигляду.
Однак наш земний досвід підказує нам, що нічого нескінченного не буває. Усі живі істоти зрештою помирають і навіть гори з часом перетворюються на пил. Однак коли йдеться про світ за межами нашої планети, наші уявлення часто виявляються помилковими. Чи так це у випадку смерті Всесвіту?
Час від часу окремі науковці публікують дослідження, в яких заявляють, що Всесвіт помре за якусь велику, але скінченну кількість років. Решта наукової спільноти зазвичай до таких досліджень залишається відносно байдужою, хоча загалом усі згодні з тим, що щось подібне на смерть із Всесвітом все ж станеться. Що саме, як і за яких умов — достатньо складна історія, але в ній можна розібратися.
Лямбда-член
Трохи більше ніж століття тому в науці домінувала думка, що наш Всесвіт стабільний, нескінченний і вічний. Не має ані початку, ані кінця. І Альберт Ейнштейн вирішив створити рівняння, яке описує такий світ. Сьогодні воно має такий вигляд:
Якщо воно здається вам страшнуватим, то це — ще спрощена форма, бо насправді він склав систему рівнянь. Проте головне, що треба знати про цей запис, який має назву рівняння поля Ейнштейна, — це те, що він з’єднує масу, енергію, гравітацію, простір та час в одне ціле.
Проте найцікавіша його частина — ?g??, особливо величина ?. У першому варіанті рівнянь її не було, але Всесвіт, який вони описували, був нестабільним. Тому Ейнштейн додав цей елемент, при цьому не маючи жодної гадки, що це таке і чому має дорівнювати. Просто без цієї штуки, яка стала відома як лямбда-член, рівняння не працювали.
Сам Ейнштейн розглядав лямбда-член лише як математичний трюк, проте його колега Александр Фрідман у 1922 році показав, що при різних його значеннях можна отримати опис Всесвіту, який має різну кривину і може розширюватися та стискатися з прискоренням. Автор теорії відносності намагався заперечувати всі ці побудови, але зрештою так і не зміг цього зробити.
У максимально спрощеному формулюванні ? — це сила тяжіння порожнього простору. В класичній фізиці й теорії відносності вона дорівнює нулю, але з жодних теоретичних передумов це не випливає. Майже все ХХ століття спостереження за Всесвітом показували, що Ейнштейн правий, порожнеча не породжує гравітації й усі побудови Фрідмана не мають сенсу.
Однак у 1997 році спостереження за надновими зорями показало, що існує гравітаційне прискорення, яке неможливо пояснити ані видимою матерією, ані темною. А значить, лямбда-член таки не дорівнює нулю. Для пояснення цього довелося ввести темну енергію, існування якої вкрай важко довести іншими методами, але головне — це те, що сценарії Фрідмана тепер мають сенс і від них залежить доля Всесвіту.
Три сценарії смерті Всесвіту
Згідно з даними колаборації Plank, опублікованими у 2020 році, Λ = 1,0905·10−52 м−2. Тобто це — величина, яка лише трохи відрізняється від нуля у додатний бік. Вчені не надто впевнені, що ця величина лишається сталою в інших частинах Всесвіту — та й узагалі, що вона не змінюється з часом. Тож потенційно можливими залишаються всі три сценарії загибелі Всесвіту.
Перший з них описує ситуацію, коли ?=0 або надзвичайно близька до цього значення. При ньому розширення або стискання Всесвіту відбуваються надзвичайно повільно, гравітація порожнечі практично не впливає на еволюцію Всесвіту, і на перший план виходить процес зростання ентропії.
Кількість доступної в результаті хімічних і ядерних перетворень енергії знижуватиметься, газу для формування зір та планет ставатиме все менше. Відповідно, серед новонароджених світил зменшиться частка гігантів і збільшиться кількість червоних карликів. Серед загальної кількості світил у Всесвіті зростатиме також частка білих карликів та нейтронних зір. Як наслідок — він ставатиме дедалі тьмянішим.
Через трильйони й квадрильйони років від сьогодення, основними джерелами випромінювання стануть падіння речовини на чорні діри та розпад протонів. Але потім, через неймовірно велику кількість років, стануть неможливими й ці процеси. Всесвіт завмре на найнижчих можливих рівнях енергії.
Цей сценарій називається Великим замерзанням, або ж тепловою смертю. І він, з огляду на те, що ми про Всесвіт знаємо, видається найбільш імовірним. Радує одне: буде все це дуже і дуже нескоро. Настільки нескоро, що ті 13,8 млрд років, що минули з Великого вибуху, можуть видатися миттю.
Інша справа — Великий розрив. Це — другий ймовірний сценарій смерті Всесвіту, і він відбудеться, якщо ? набагато більша за нуль і за те значення, яке визначене для неї зараз. Можливість такого сценарію невисока, але вона є.
За Великого розриву сила тяжіння порожнечі розтягуватиме простір все сильніше і сильніше. Спочатку зруйнуються надскупчення галактик, потім зв’язок між собою втратять члени Місцевої групи. Далі на окремі зорі розпадеться Чумацький Шлях. Планети втратять зв’язок із зорями й усі типи об’єктів почнуть розпадатися, поки в космосі не залишаться лише окремі елементарні частинки.
Хоча можливість такого розвитку подій мала, очікуваний час смерті Всесвіту в цьому випадку значно менший, ніж при Великому замерзанні. За останніми оцінками, це може статися вже через 200 млрд років. Щоправда, і це вже достатньо немало.
Нарешті, є ще й третій варіант, який станеться, якщо лямбда-член має від’ємне значення. Він називається Великим стисканням. При ньому ми маємо побачити, як галактики перестають розбігатися в усі боки й гравітація порожнечі починає штовхати їх докупи. Далі те саме відбувається з зорями й зрештою ми повертаємося в той неймовірно щільний і гарячий момент, з якого Всесвіт і народився. Можливо, на нього чекає новий початок і все повториться знову, але людство цієї події не переживе.
Велике стискання — найменш імовірний сценарій із погляду традиційної фізики, однак різні альтернативні теорії визнають від’ємне значення космологічної сталої дуже ймовірним. Вони ж малюють абсолютно апокаліптичну картину, згідно з якою воно має закінчитися вже через 33 млрд років після Великого вибуху. А оскільки від початку Всесвіту минуло вже 13,7 млрд років, то у нас лишилося ще приблизно 20 млрд.
Критична густина Всесвіту
Насправді доля Всесвіту також залежить від того, якою є його густина відносно певної величини, яка називається критичною густиною. Бо від цього залежить те, яку топологію він має, і те, які сценарії в ньому можливі, а які — ні. Наприклад, якщо густина вища за критичну, ми б мали закритий Всесвіт, де сума кутів трикутника, принаймні на космічних відстанях, завжди більша за 180°, а паралельні лінії завжди колись сходяться в одній точці. Загалом же Всесвіт у цьому випадку має нагадувати замкнену бульбашку.
При такій геометрії, Всесвіт завжди намагається схлопнутися назад у сингулярність, але якщо у ньому достатньо темної матерії, він буде розширюватися вічно. Це справедливо і для нашого Всесвіту, де частина темної енергії становить 68 % від її загальної маси. Для того, аби в закритому Всесвіті відбулося схлопування, треба, щоб густина звичайної матерії була вище тої, що ми спостерігаємо, у 17 разів.
Інакша ситуація виникає, якщо густина Всесвіту менша за критичну. У такому разі він має від’ємну кривину й утворює поверхню, подібну до сідла. Найімовірнішими сценаріями його загибелі вважають теплову смерть і Великий розрив. Лише дуже велике від’ємне значення космологічної сталої може спричинити його стискання.
Нарешті, критична густина Всесвіту може дорівнювати одиниці. Дослідження показують, що у нас все так і є. Паралельні лінії лишаються паралельними на будь-яких достатньо великих масштабах, а сума кутів трикутника завжди дорівнює 180°.
У такому випадку все залежить від того, чи є відчутним вплив космологічної змінної. Якщо вона дорівнює нулю, то Всесвіт розширюватиметься вічно, поступово сповільнюючись. А значить — на нас чекає теплова смерть. Якщо ж ? відмінна від нуля, то все відбудеться, як і у Всесвіті з від’ємною кривиною.
Непередбачуваний лямбда-член
Але все вищезгадане справджується тільки для теорій, які розглядають фізику космосу більш-менш традиційним чином. А у такого погляду є одна суттєва проблема. Ніхто не може пояснити, звідки береться тяжіння порожнечі.
Точніше, у квантової теорії поля, теорії, що лежить в основі квантової механіки, є пояснення, що це — енергія вакууму, але ця ж теорія передбачає, що величина космологічної сталої має бути приблизно на 60 порядків (тобто в одиницю-і-шістдесят-нулів-після-неї разів) більшою, ніж спостерігається. І це вже — після останніх коригувань, бо раніше ця різниця складала від 120 до 122 порядків. Найгірше передбачення в історії.
Саме тому дехто взагалі ставить усі теоретичні побудови навколо космологічної сталої під сумнів. Адже те, що за неї відповідає темна енергія, — лише припущення. Та й те, що ? має бути константою, нізвідки не випливає. Є лише член рівняння і є спостереження, які відповідають певному його значенню тут і зараз. Вони цілком можуть змінюватися як у просторі, так і у часі. А це означає, що сценарії смерті Всесвіту можуть бути значно цікавішими та нестандартнішими, ніж ми думаємо.
