Ingenting är evigt. Och vårt universum kommer naturligtvis också att dö. Ryktet säger att det kommer att bli evig expansion och i slutändan döden från entropin. Universum expanderar och entropi växer och kommer att fortsätta växa tills allt vi älskar dör. Men det här är känslan, och vi är mänskliga forskare, så vi undrar hur universums ände kommer att se ut? Vad kommer det att åtföljas av? Nej, ja, nyfiken.
Det blir inga stjärnor kvar på natthimlen
Om 150 miljarder år kommer natthimlen på jorden att se väldigt annorlunda ut. När universum strävar efter sin termiska död expanderar rymden snabbare än ljusets hastighet. Vi vet att ljusets hastighet är den styva hastighetsbegränsaren för alla objekt i universum. Men detta gäller bara föremål som finns i rymden, inte själva rymdtidens tyg. Det är svårt att räkna ut i farten, men rymdtidens tyg expanderar redan snabbare än ljusets hastighet. Och i framtiden kommer detta att medföra konstiga konsekvenser.
Eftersom rymden i sig expanderar snabbare än ljus finns det en kosmologisk horisont. Alla objekt som går utöver denna horisont kommer att kräva att vi kan observera och registrera data om det med hjälp av partiklar som går snabbare än ljus. Men det finns inga sådana partiklar. Så snart föremål lämnar den kosmologiska horisonten blir de oåtkomliga för oss. Varje försök att kontakta eller interagera med avlägsna galaxer bortom denna horisont kräver teknik från oss som kan röra sig snabbare än själva rymdets expansion. Hittills är det bara ett fåtal objekt som ligger utanför vår kosmologiska horisont. Men när mörk energi accelererar expansionen kommer allt så småningom att vara utom räckhåll för våra ögon.
Vad betyder detta för jorden? Tänk dig att titta upp på natthimlen om 150 miljarder år framöver. Det enda som kommer att ses är några stjärnor som förblir inom den kosmologiska horisonten. Till slut kommer de också att lämna. Natthimlen blir helt klar, som tabula rasa. Framtidens astronomer kommer inte att kunna bevisa att det finns något annat objekt i universum. Alla stjärnor och galaxer som vi ser nu kommer att försvinna. För oss är bara solsystemet kvar i hela universum. Det är sant att jorden sannolikt inte kommer att leva upp till detta, men mer om det nedan.
Kampanjvideo:
Livet efter solens död försvinner inte
Alla vet att stjärnor inte varar för alltid. Deras livslängd börjar med bildandet, fortsätter under hela sekvensen (som står för större delen av stjärnans liv) och slutar med stjärnans död. I de flesta fall sväller stjärnor till några hundra gånger sin normala storlek och avslutar huvudsekvensfasen, och med detta sväljer alla planeter som kommer nära dem.
Men för planeter som kretsar kring stjärnan på stora avstånd (utanför systemets "fryslinje") kan dessa nya förhållanden faktiskt bli tillräckligt varma för att stödja livet. Enligt en nyligen genomförd studie av Carl Sagan Institute vid Cornell University kan denna situation i vissa stjärnsystem pågå i miljarder år och leda till framväxten av helt nya former av utomjordiskt liv.
Om cirka 5,4 miljarder år kommer vår sol att lämna huvudfasen. Efter att ha tömt vätgasbränslet i kärnan kommer askan av inert helium som kommer att samlas där att bli instabil och kollapsa under påverkan av sin egen vikt. Detta kommer att leda till att kärnan värms upp och blir tätare, vilket i sin tur kommer att leda till en ökning av solens storlek - stjärnan kommer in i fasen av "gren av röda jättar".
Denna period kommer att börja när vår sol blir en underjätt och långsamt fördubblas i storlek under cirka en och en halv miljard år. Det kommer att expandera snabbare de närmaste en halv miljard åren, tills det är 200 gånger sin nuvarande storlek och flera tusen gånger ljusare. Då blir den officiellt en röd jätte och dess diameter kommer att vara cirka 2 AU. e. - Solen kommer att gå längre än Mars nuvarande bana.
Uppenbarligen kommer jorden inte att överleva uppkomsten av en röd jätte i solsystemet, som kvicksilver, Venus eller Mars. Men bortom fryslinjen, där det är tillräckligt kallt för att flyktiga föreningar - vatten, ammoniak, metan, koldioxid och kolmonoxid - ska förbli frysta, kommer det att finnas gasjättar, isjättar och dvärgplaneter. Och en helt upptining börjar.
Kort sagt, när en stjärna expanderar, kommer dess "beboeliga zon" att göra detsamma och sträcker sig över banorna till Jupiter och Saturnus. När detta händer kan en tidigare obebodd plats - som Jupiters och Saturnus månar - plötsligt bli bostadshus. Detsamma gäller för många andra stjärnor i universum, som är avsedda att bli röda jättar när de växer upp och dör.
När vår sol når den röda fasen i den gigantiska grenen, kommer den bara att ha 120 miljoner år av aktivt liv. Den här tiden räcker inte för att nya livsformer ska dyka upp och utvecklas, som kan bli riktigt komplexa (som människor och andra däggdjursarter). Men enligt en studie som nyligen publicerades i The Astrophysical Journal kan vissa planeter nära andra röda jättar i vårt universum förbli bebodda mycket längre - upp till nio miljarder år eller mer i vissa fall.
För dig att förstå är nio miljarder år dubbelt så mycket som jordens nuvarande ålder. Om vi antar att världarna av intresse för oss kommer att ha rätt sammansättning av element kommer de att ha tillräckligt med tid för att ge upphov till nya komplexa livsformer. Studiens huvudförfattare, professor Lisa Kaltenneger, är också chef för Carl Sagan Institute. Hon vet själv hur man söker efter livet i universum:
”När en stjärna blir äldre och ljusare rör sig den bebodda zonen utåt och du ser i princip ett andra liv för planetsystemet. För närvarande är föremål i de yttre regionerna frysta i vårt solsystem, som Europa och Enceladus, Jupiters och Saturnus månar. När vår gula sol har expanderat tillräckligt för att bli en röd jätte och förvandla jorden till en bränd öken, kommer det fortfarande att finnas regioner i vårt solsystem - och även i andra system - där livet kan blomstra.
När en stjärna expanderar förlorar den massa och skjuter den utåt i form av solvinden. Planeter som kretsar nära en stjärna eller har låg ytvikt kan förlora sin atmosfär. Å andra sidan kan planeter med tillräcklig massa (eller ligger på säkert avstånd) bevara denna atmosfär. I vårt solsystems sammanhang betyder detta att världar som Europa och Enceladus (som kanske redan har ett liv som lurar under isskal) om några miljarder år kan bli ett paradis för livet.
Vår sol kommer att bli en svart dvärg
För tillfället har vårt universum många olika typer av stjärnor. Röda dvärgar - coola stjärnor som avger rött ljus - är bland de vanligaste. Det finns också många vita dvärgar i universum. Dessa är stjärnresterna av döda stjärnor, sammansatta av degenererade materier som hålls samman av kvanteffekter. För närvarande tror astronomer att vita dvärgar har en nästan oändlig livslängd. Men efter en viss tid kommer även de att dö och bli exotiska stjärnor: svarta dvärgar.
Ett sådant öde väntar också på vår sol. I en avlägsen framtid kommer vår sol att mata ut dess yttre lager och förvandlas till en vit dvärgstjärna som kommer att finnas kvar i miljarder år. Men en dag kommer även vita dvärgar att svalna. Efter 10 (till 100 års kraft) kommer de att svalna till en temperatur som motsvarar temperaturen i mikrovågsbakgrundsstrålningen, några grader över absolut noll.
När detta händer kommer vår stjärna att bli en svart dvärg. Eftersom denna typ av stjärna är så kall kommer den att vara osynlig för det mänskliga ögat. För alla som försöker hitta solen som gav oss liv kommer det att vara omöjligt att göra det med optiska system. Han måste leta efter det med gravitationseffekter. De flesta stjärnor vi ser på natthimlen blir svarta dvärgar (en annan anledning till att natthimlen blir klar). Men för vår varma sol är det särskilt stötande.
Konstiga stjärnor
När vår sol blir en svart dvärg har stjärnutvecklingen redan avslutats. Nya stjärnor kommer inte att födas. Istället kommer universum att översvämmas av kalla rester av stjärnor. Och detta gör att universum kan börja skapa konstiga stjärnor som skiljer sig väsentligt från vad vi vet.
En av dessa är en frostig eller kall stjärna. När stjärnor i universum bränner ut sitt kärnbränsle ökar de sin metallicitet. I astronomi är det ett mått på elementen i en stjärna som är tyngre än helium - praktiskt taget alla grundämnen, som börjar med litium. När en stjärns metallicitet ökar, blir de kallare eftersom de tyngre elementen släpper ut mindre energi under fusionen. Slutligen kommer stjärnorna att bli så kalla att de kommer att ha en temperatur på 0 grader, vattenets fryspunkt.
Om du tittar ännu längre in i framtiden kommer det att finnas en ännu främmande stjärna. Om ungefär tio (fram till 1500 år) framtid kommer entropin att ta sin vägtull och universum kommer i huvudsak att vara död. Under dessa kalla tider kommer kvanteffekter att styra universum.
Kvant tunnling gör att ljuselement kan syntetiseras till en instabil form av järn. Den kommer i sin tur att förfalla till en mer stabil isotop och avge en svag mängd energi. Dessa järnstjärnor är den enda stjärnformen som är möjlig just nu. Men de finns bara i modeller där astronomer inte tror på protonförfall, så denna idé är inte den mest populära.
Alla nukleoner kommer att förfalla
Låt oss spola tillbaka från en punkt på 10 (till kraften 15) år efter Big Bang till en punkt på 10 (till kraften 34) år. Om mänskligheten inte är död vid den tiden kommer vi verkligen inte att överleva den här eran. Som nämnts ovan argumenterar astronomer ständigt om huruvida protonen kommer att förfalla i slutet av tiden. Låt oss säga ja.
Nukleoner är partiklar i atomens kärna, protoner och neutroner. Det är känt att fria neutroner förfaller med en halveringstid på 10 minuter. Men protoner är otroligt stabila. Ingen har sett första protektionens förfall. Men mot slutet av universum kommer allt att förändras.
Fysiker antar att halveringstiden för en proton är 10 (till kraften 37) år. Vi har inte sett detta förfall eftersom universum inte är tillräckligt gammalt än. Under förfalletiden (10 (till den 34: e makten) - 10 (till den 40: e makten) år) kommer protonerna äntligen att förfalla till positroner och pioner. I slutet av förfalletiden kommer alla protoner och neutroner i universum att ta slut.
Självklart kommer livet i universum att börja ha problem. Om vi antar att mänskligheten överlevde Solens förändring och migrerade till mer vänliga delar av universum, kommer fysikens lagar vid en viss tidpunkt att diktera människosläktets död. Våra kroppar och alla interstellära föremål är gjorda av nukleoner. När de sönderfaller kommer något liv att sluta, eftersom atomerna själva kommer att upphöra att existera. Livet kommer inte att kunna fortsätta att existera under sådana förhållanden (och i en sådan form) och universum kommer att dyka in i svarta hålens era.
Svarta hål kommer att översvämma universum
När nukleonerna försvinner kommer svarta hål att träda i lag och kommer att styra universum från 10 (till kraften 40) år efter Big Bang till 10 (till kraften 100) år. Från och med nu börjar vi prata om tider så långa att det är helt omöjligt att förstå dem med våra sinnen. Efter en tid som är mycket längre än universums nuvarande tidsålder förblir svarta hål de enda strukturerna.
När nukleonerna lämnar kommer de huvudsakliga subatomära partiklarna att vara leptoner - elektroner och positroner. De kommer att bränna svarta hål. Genom att absorbera resterna av materia i universum kommer svarta hål själva att avge partiklar som kommer att fylla universum med fotoner och hypotetiska gravitoner. Men svarta hål är avsedda att dö, som Stephen Hawking bestämde sig för.
Enligt Hawking avdunstar svarta hål på grund av deras strålning. När de strålar förlorar de massa i form av energi. Denna process tar lång tid, så vi vet praktiskt taget ingenting om den. Det tar tio (kraft 60 år) innan ett svart hål avdunstar helt, så denna process har ännu inte gått till slutet på ett sekel av vårt universum. Men som sagt så småningom kommer även svarta hål att dö. Endast masslösa partiklar och några spridda leptoner finns kvar av dem, som lätt interagerar och tappar sin energi.
En atom av en ny typ kommer att dyka upp
Med bara några subatomära partiklar kvar av vårt universum kan det verka som om det inte finns något mer att prata om. Men livet kan uppträda även i denna värsta värld.
Under många år har partikelforskare pratat om positronium, den atomliknande bindningen mellan en positron och en elektron. Dessa två partiklar har motsatta laddningar. (Positronen är elektronens antipartikel). Därför kommer de att lockas elektromagnetiskt. När ett par av sådana partiklar börjar interagera kan de ha rudimentära banor och atombeteende.
Eftersom positronium kommer att vara sällsynt, kan denna modell av positronium "kemi" inte kallas komplett. Men mycket nyfikna saker kan komma ut ur dessa konstiga "atomer". För det första kan de finnas i jättebanor som täcker det interstellära rummet. Så länge de två partiklarna interagerar kommer de att kunna upprätthålla ett par oavsett avstånd.
Under svarta hålens era kommer några av dessa "atomer" att ha diametrar som sträcker sig över avstånd som är större än vårt nuvarande observerbara universum. Positroniumatomer som består av leptoner kommer att överleva förfallet av en proton och passera genom svarta hålens era. Dessutom kommer svarta hål att skapa positroniumatomer i strålningsprocessen. Efter en viss tid kommer också positron-elektronparet att förfalla. Men innan det kan universum föda ett helt obeskrivligt liv.
Allt kommer att sakta ner, även själva tanken
När de svarta hålens era tar slut och även dessa stjärnjättar försvinner i mörkret kommer bara ett fåtal saker att finnas kvar i vårt universum, främst diffusa subatomära partiklar och de återstående atomerna av positronium. Därefter kommer allt i universum att ske extremt långsamt, varje händelse kan pågå i evigheter. Enligt vissa teoretiska fysiker, som Freeman Dyson, kan livet komma tillbaka i universum vid denna tidpunkt.
Efter en lång, lång tid kan organisk utveckling börja utvecklas från positronium. Varelserna som kommer att visas kommer att skilja sig mycket från allt vi känner till. De kan till exempel vara enorma och sträcker sig över interstellära avstånd. Eftersom det inte finns något annat kvar i universum kommer de att ha var de ska vända. Men eftersom dessa livsformer kommer att bli enorma kommer de att tänka mycket långsammare än oss. I själva verket kan det ta biljoner år för en sådan varelse att skapa ens en tanke.
Det kan tyckas konstigt för oss, men eftersom dessa varelser kommer att existera med stora tidsintervall kommer en sådan tanke att vara omedelbar för dem. De kommer att existera under en oerhört lång tid och se universum flyga förbi dem. Men de kommer att sjunka i glömska.
Slutet på "makrofysik"
Vid denna tid kommer universum att nå nästan det maximala tillståndet av entropi, det vill säga det kommer att bli ett homogent energifält och flera subatomära partiklar. Detta kommer att ske efter svarta hålens tid, mycket senare efter 10 (till 100 års kraft). Rymden kommer att expandera så mycket, och mörk energi kommer att bli så kraftfull att även svarta hål kommer att upphöra att existera och universum kommer att förlora massiva föremål.
Det är svårt att föreställa sig ett sådant universum. Tänk bara på det: stjärnor kommer att sluta bildas eftersom de subatomära partiklarna som utgör materia kommer att separeras på sådana avstånd att de inte kan mötas på något sätt och färdas med ljusets hastighet. Även positroniumatomer kan inte visas.
Fysiken kommer att ta slut. Den enda fysiska modellen som kommer att fortsätta att fungera är kvantmekanik. Kvanteffekter kommer att inträffa även på stora interstellära avstånd, i en gigantisk tidsram. Så småningom kommer universums temperatur att sjunka till absolut noll: det finns ingen energi kvar att förvandlas till arbete. I vissa modeller kommer rymdutvidgningen att växa och riva rymdtiden isär. Universum kommer att upphöra att existera.
Är det möjligt att fly från allt detta?
Hittills har vår resa till slutet av universum åtföljts av endast mörka och deprimerande händelser. Men fysiker tappar inte sin optimism och skisserar möjliga sätt för mänskligheten att överleva sluttiden och till och med starta om vårt universum.
Det mest lovande sättet att fly från vårt universum med maximal entropi är att använda svarta hål tills fotons förfall gör livet omöjligt. Svarta hål förblir mycket mystiska föremål, men teoretiker föreslår att de används för att komma in i nya universum.
Modern teori antyder att bubbluniverser hela tiden föds i vårt eget universum och bildar nya universum med materia och livets möjlighet. Hawking tror att svarta hål kan vara portarna till dessa nya universum. Men det finns ett problem. När du väl har passerat gränsen för det svarta hålet finns det ingen väg tillbaka. Därför, om mänskligheten bestämmer sig för att gå till ett svart hål, blir det en enkel resa.
Först måste du hitta ett snurrande svart hål som är massivt nog för att överleva resan över evenemangshorisonten. I motsats till vad många tror är massiva svarta hål säkrare att resa igenom. Framtidens rymdresande kanske hoppas att resan inte kommer att sluta dåligt, men de kommer inte att kunna kontakta sina vänner på den här sidan av det svarta hålet och informera dem om resultatet. Varje åktur är ett trossprång.
Men det finns ett sätt att se till att ett nytt universum väntar oss på andra sidan. Enligt Alan Guth behöver det nyfödda universum endast 10 (till 89 kraft) protoner, 10 (till 89 kraft) elektroner, 10 (89 kraft) positroner, 10 (89 kraft) neutrino, 10 (89 kraft) antineutrino, 10 (till kraften 79) protoner och 10 (till kraften 79) neutroner för starten. Det kan verka som mycket, men totalt sett är det inte mer än en tegelsten.
Framtidens människor kan generera ett falskt vakuum - en region i rymden med potential för expansion - med hjälp av ett superstarkt gravitationsfält. I en avlägsen framtid kunde människor få tag på tekniken för att skapa ett falskt vakuum och starta sitt eget universum. Eftersom den första inflationen i universum varar en bråkdel av en sekund kommer det nya universum att expandera omedelbart och bli ett nytt hem för människor. Ett snabbt hopp genom maskhålet och vi räddas.
Slumpmässig kvanttunnel kan starta om universum
Vad kommer att hända med det universum som vi lämnade? Efter ett tag kommer den äntligen att nå sin maximala entropi och bli helt obeboelig. Men även i detta döda universum kommer livet att ha en chans. Forskare inom kvantmekanik är medvetna om effekten av kvanttunnel. Detta är när en subatomär partikel kan komma in i ett energitillstånd som är omöjligt klassiskt.
I klassisk mekanik kan till exempel inte bollen spontant plocka upp och rulla uppför en kulle. Detta är ett förbjudet energitillstånd. Elementarpartiklar har också förbjudna energitillstånd ur klassisk mekanik, men kvantmekanik vänder allt upp och ner. Vissa partiklar kan "tunnel" in i dessa energitillstånd.
Denna process pågår redan i stjärnorna. Men när det appliceras i slutet av universum uppstår en konstig möjlighet. Partiklar i klassisk statistisk mekanik kan inte flytta från ett högre tillstånd av entropi till ett lägre. Men med kvanttunnel kan och kommer de. Fysikerna Sean Carroll och Jennifer Chen har föreslagit tanken att kvanttunnel efter en viss tid spontant kan minska entropin i ett dött universum, leda till en ny Big Bang och starta om universum. Men håll inte andan. För att en spontan minskning av entropin ska ske måste du vänta 10 (till kraften 10) ^ (till kraften 10) ^ (till kraften 56) år.
Det finns en annan teori som ger oss hopp om ett nytt universum - den här gången från matematiker. År 1890 publicerade Henri Poincaré sin återkommande sats, enligt vilken alla system efter en otroligt lång tid återgår till ett tillstånd mycket nära sitt ursprungliga tillstånd. Detta gäller även termodynamik, där slumpmässiga termiska fluktuationer i ett universum med hög entropi kan få det att återgå till sitt ursprungliga tillstånd, varefter allt börjar igen. Tiden kommer att passera, och universum kan bildas igen, och varelserna som kommer att leva i det kommer inte att ha den minsta aning om att de lever i vårt universum.
ILYA KHEL
