Хотите знать, как закончится существование Вселенной? Да, этот вопрос напрямую нас не затронет — скорее всего, событие произойдет в очень далеком будущем, когда не только человечество, но и Солнечная система исчезнут. Но все равно интересно, и не только мне. Этот вопрос стал предметом серьезных научных исследований. Ученые предлагают несколько возможных сценариев — от вечного холода до почти мгновенного разрушения реальности.

Хотите увидеть картину апокалипсиса размером с нашу Вселенную? Сегодня в эту историю погружу вас я, Саша Баулин — специалист МТС Диджитал и фанат космоса. Поехали!

Тепловая смерть

Начнем с гипотезы «тепловой смерти», или «большого замерзания». Она вовсе не нова, ее выдвинул Рудольф Клаузиус еще в 1865 году. В середине XIX века шло развитие паровых машин, появились ДВС и шли эксперименты с холодильными установками. Были открыты многие законы молекулярной физики — и Рудольф Клаузиус экстраполировал второе начало термодинамики на все сущее. Вот его собственная формулировка начала: «Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому». То есть бесплатного холода не бывает. Если вы не приложили энергию, теплота будет переходить от более горячего тела к более холодному. Соответственно, Вселенная с течением времени должна прийти в состояние термодинамического равновесия, или «тепловой смерти»: все звезды погаснут и остынут, поделившись теплом с окружающими объектами. А так как Вселенная велика, итоговая температура будет очень низкой.

Открытия устройства Вселенной, теории относительности и квантовой физики разукрасили идею «тепловой смерти». Мы живем в постоянно расширяющейся Вселенной, более того, в конце 1990-х годов астрономы обнаружили, что расширение Вселенной происходит с ускорением. Для описания ускоренного разбегания галактик ввели понятие темной энергии. Она расталкивает объекты во Вселенной тем сильнее, чем дальше они друг от друга. В масштабах галактик и даже скоплений галактик ее действие не заметно, а вот в масштабах Вселенной она заставляет объекты разбегаться и, скорее всего, так будет всегда.

Сейчас наблюдаемый горизонт нашей Вселенной — около 46 млрд световых лет. Чем дальше галактики от нас, тем быстрее они удаляются. Уже на расстоянии более 13 млрд световых лет объекты удаляются от нас быстрее скорости света. Если вам интересно, не нарушается ли тут теории относительности — пишите в комментариях, что нужен пост на эту тему. Свет (а еще тепло, другие виды излучения и материальные тела), испущенный с расстояния более 13 млрд лет, никогда больше не сможет достигнуть нас. Галактики на таких расстояниях постепенно краснеют и тускнеют, пока полностью не исчезнут из нашего поля зрения. Если вас беспокоят вопросы равенства, то с точки зрения этих галактик с нашим Млечным путем происходит то же самое.

Под воздействием темной энергии Вселенная будет разлетаться с ускорением. Со временем, через миллиарды лет, перестанет доходить свет от всех гравитационно не связанных объектов. То есть даже в самый совершенный телескоп типа Джеймса Уэбба мы сможем увидеть только нашу галактику и несколько соседних — а это конец исследованиям дальнего космоса, если, конечно, в нем еще будет актуальность. Звезды сожгут свое термоядерное горючее и погаснут, планеты уйдут со своих постоянных орбит и окажутся на случайных траекториях.

Еще немного предположений. За очень долгий срок электроны и протоны, составляющие  атомы, провзаимодействуют из-за туннельного эффекта. Входящие в атомы нейтроны стабильны, но без протонов, когда они становятся свободными, время их полураспада всего 15 минут. К тому же свободные протоны, возможно, тоже могут распадаться, пусть и за очень долгий срок. Тогда через очень большое время все материальные объекты Вселенной распадутся на элементарные частицы. Черные дыры испарятся из-за излучения Хокинга, также испустив элементарные частицы.

Это очень долгий процесс. Но в далеком будущем, через невероятное количество времени, скажем, 10¹⁰⁰ лет, Вселенная превратится в бесконечную пустоту. В ней останутся лишь нейтрино, фотоны, электроны и позитроны, возможно, протоны и антипротоны.

Это и называют «тепловой смертью Вселенной». Разницы в температурах больше нет — все станет однородным и равномерным. Это означает полную невозможность превращения энергии. Станет невозможна жизнь, да и вообще какие-либо заметные процессы. Пусто и одиноко.

Большой разрыв

Тепловая смерть Вселенной — довольно мрачная картина. Но это необязательно наше с вами будущее. Возможно, гипотеза ошибочна: она базируется на постулате, что темная энергия — фактор, не меняющийся во времени.

Но дополнительные исследования, проведенные за последние два десятилетия, поставили под сомнение это утверждение. Изучение квазаров (статья в базе препринтов arXiv.org) показывает, что темная энергия, возможно, не является космологической постоянной. Авторы работы предполагают, что она увеличивается с течением времени.

При таком сценарии спокойное расширение постепенно переходит к неконтролируемому хаосу, буквально разрывающему Вселенную на части. Даже гравитационно связанные структуры не смогут выжить в грядущем апокалипсисе. В худшем своем варианте этот сценарий реализуется уже через несколько миллиардов лет, когда еще будет существовать Солнечная система. Сначала темная энергия растаскивает далекие объекты друг от друга. Но если ее воздействие растет, то следом распадется местная группа галактик, затем — Млечный Путь, за ним — наша Солнечная система, потом планеты…

Все это назвали Большим разрывом. В этом сценарии темная энергия не просто разрывает материю на части, она уничтожает само пространство. Если выбрать две случайные точки, как бы близко они ни находились, то вскоре они окажутся на бесконечном расстоянии друг от друга. Это полностью нарушает наше представление о структуре пространства-времени. Перестанут существовать привычные законы и понятия, такие как расстояние между объектами.

Есть много нерешенных вопросов, связанных с Большим разрывом. Например, проблема с кварками. Они удерживаются вместе благодаря сильному взаимодействию, которое растет по мере увеличения расстояния. Чтобы разнести кварки на достаточно большое расстояние, потребуется столько энергии, что возникнут новые кварки — и тут же соединятся с исходными в мезоны или более сложные частицы.

Что случится, если с одной стороны темная энергия все с большим остервенением будет растаскивать кварки, а с другой — они каждый раз будут заводить себе новую пару, используя энергию темной энергии (тут без тавтологии не обойтись)? Теоретическая физика пока ответить не может. Успокою: сам сценарий Большого разрыва не только крайне сложен для моделирования, но и считается маловероятным.

Большое сжатие

В этом варианте снова появляется темная энергия. Без нее, похоже, в современной астрономии никуда. Но не будем забегать вперед, рассказываю по порядку.

Итак, Вселенная расширяется — это установил еще Эдвин Хаббл в 1920-х годах на основе наблюдений за смещением спектра света от галактик. Но русский физик Александр Фридман решил уравнения теории относительности и показал, что Вселенная может как сжиматься, так и расширяться. Это зависит от ее «содержимого», плотности материи и энергии.

И тут вспоминаем «темную энергию». Ученые предполагают, что ее влияние может не только усиливаться, но и ослабевать со временем. Данные, полученные с помощью инструмента DESI, указывают на возможное ослабление темной энергии около 3 млрд лет назад. Если со временем темная энергия поменяет знак и начнет притягивать объекты, ситуация поменяется — вместо Большого биг бада бум разрыва мы получим Большое сжатие.

По этому сценарию Вселенная станет постепенно уменьшаться в объеме: галактики начнут сближаться и сталкиваться, температура и давление возрастут, превращая материю в плазму. Атомы и ядра разрушатся, а субатомные частицы перейдут в более высокоэнергетические состояния. Конечный результат Большого сжатия остается предметом теоретических изысканий. Некоторые ученые предполагают, что Вселенная в итоге достигнет состояния сингулярности — точки бесконечной плотности. То есть вернется в «предвзрывную» стадию.

Некоторые ученые, например, профессор Пол Штайнхардт (Paul Steinhardt) из Принстонского университета предположил, что Вселенная циклична. После сжатия следует новый Большой взрыв, инициирующий очередной цикл. И так бесконечно.

Стоит отметить, что теорию цикличной Вселенной развивал еще создатель советской водородной бомбы, академик Андрей Сахаров. В XX веке непротиворечивую теорию создать не удалось, но сейчас Штайнхардт, Николай Горькавый и другие ученые создали новые модели, которые дают идее цикличной Вселенной право на жизнь. Но им предстоит найти экспериментальные доказательства своих предположений. Дальше — о том, какой вариант предлагает лауреат Нобелевской премии Роджер Пенроуз.

Конформная циклическая космология

В 2010 году Роджер Пенроуз предложил альтернативный взгляд на судьбу Вселенной, известный как конформная циклическая космология (англ. conformal cyclic cosmology, или CCC). Идея в том, что в далеком (настолько далеком, что и вообразить невозможно) будущем все частицы распадутся на фотоны. Несмотря на то, что это противоречит современным знаниям физики (мнение самого Пенроуза), теоретически такой сценарий остается возможным. Почему? Дело в том, что квантовые эффекты и другие процессы, пока неизвестные современной науке, в будущем могут изменить наше представление о стабильности частиц.

Так вот, Вселенная превратится в однородный газ из фотонов с низкой энтропией. В ней не будет ориентиров и различий между точками. Пока это похоже на последний этап тепловой смерти Вселенной. Но дальше Пенроуз предполагает, что в таком состоянии геометрия пространства-времени становится «конформно инвариантной», то есть формы сохраняются, но масштабы могут изменяться. Британский ученый (без смайлов!) утверждает, что такое конечное состояние может быть математически преобразовано в стадию новой Вселенной, где Большой взрыв становится естественным продолжением предыдущего эона. Таким образом, конец одной Вселенной плавно переходит в начало следующей, формируя бесконечную последовательность циклов.

К сожалению, CCC нарушает ключевые принципы современной физики, а ее предсказания пока не согласуются с наблюдаемыми свойствами нашей ранней Вселенной, такими как структура космического микроволнового фона. С другой стороны, именно Роджер Пенроуз был одним из ближайших соратников Стивена Хокинга и вместе они смело проводили теоретическое описание черных дыр, которые многие ученые, включая Альберта Эйнштейна считали невозможными. Даже если гипотеза неверна, она может вдохновить ученых на новые исследования и улучшить наше понимание Вселенной.

Распад вакуума

Если предыдущие сценарии на нас с вами никак не повлияют, потому что произойдут через миллиарды лет, то есть другой вариант. Вселенная в нынешнем ее виде просто исчезнет. И мы об этом не узнаем, предупредить будет некому. В чем тут дело?

На ранних этапах своего существования Вселенная пережила серию фазовых переходов, когда менялись фундаментальные силы природы. В школе мы учили, что фазовый переход — это превращение льда в воду, воды в пар. В физике посложнее, но принцип тот же: при фазовом переходе выделяется или поглощается энергия и среда вокруг нас меняется. Последний фазовый переход Вселенной отделил слабое ядерное взаимодействие от электромагнитного, оставив после себя космос, наполненный частицами и излучением, которые мы знаем и любим сегодня.

Это относительно стабильное состояние, ведь ничего не изменилось (по крайней мере, на фундаментальном квантовом уровне) за более чем 13 млрд лет. Но это не гарантирует, что нынешняя конфигурация — состояние с наименьшей энергией и максимальной стабильностью. Возможно, мы находимся в так называемом метастабильном состоянии, которое остается таковым до определенного момента. Например, вы сидите на горке, чувствуете себя комфортно и устойчиво, но стоит немного податься вперед и начнется сумасшедший спуск на более нижний уровень. Похожий процесс может произойти и в природе.

Случайные квантовые колебания могут привести к тому, что вакуум вернется в свое истинное основное состояние. Оно связано с набором сил, частиц и полей, которые представляют самую низкоэнергетическую конфигурацию. Такой фазовый переход начнется в случайной точке космоса и распространится со скоростью света.

В какой-то момент мы просто будем заниматься своими делами, и раз — новая Вселенная займет свое место. Законы физики изменятся до неузнаваемости и, скорее всего, сделают наше существование невозможным. Атомы, вероятно, утратят способность образовывать устойчивые структуры, а многие другие процессы выйдут за пределы нашего понимания. Но понимать все это будет уже некому.

Так есть ли жизнь на Марсе что ожидает Вселенную? Да, пока об этом никто не знает. Возможно, в далеком будущем наши потомки найдут ответ на вопрос, как рождаются и умирают миры.

На этом все, но если вы знаете о других сценариях, пишите в комментариях — обязательно обсудим.