Доля Всесвіту — одна з тем фізичної космології. Існує багато варіантів майбутнього в наукових теоріях та гіпотезах, вони стосуються як знищення, так і нескінченного існування Всесвіту.
Після того, як теорія Великого вибуху була прийнята більшістю вчених, майбутнє Всесвіту стало одним з провідних питань космології, що розглядається з різних точок зору залежно від фізичних властивостей Всесвіту: його маси, енергії, густини та швидкості розширення.
Серед космологів існує консенсус, що Всесвіт плоский і тому буде розширюватися вічно. Здебільшого, доля Всесвіту залежить від його форми та від того, яку роль у ньому відіграє темна енергія.
Історія
Давні часи У минулому більшість народів світу не мало чіткого уявлення навіть про існування Всесвіту, не кажучи вже про його майбутнє. Більшість з них вважали свою долю та долю Землі цілком залежною від різноманітних божеств, які існують поза простором-часом. Але це не заважало деяким цивілізаціям висувати гіпотези, що стосуються майбутнього нашої планети.
Племена інків, майя та ацтеків вважали, що простір-час є замкнутим кільцем, на одній стороні якого розташовується початок історії, а на інший — теперішній час. За їхньою гіпотезою, колись майбутнє має плавно перейти у минуле, що можна прийняти за першу згадку моделі циклічного Всесвіту. Такої ж моделі дотримувалися германські та слов'янські племена. Подібна форма міркування, можливо, була пов'язана з аграрною моделлю існування: дозрівання врожаю та його відмирання восени, рік за роком.
Теорія Наукове передбачення долі Всесвіту стало можливим із відкриттям Загальної теорії відносності Альбертом Ейнштейном у 1916 році, яка дозволяє описати майбутнє Всесвіту з максимальною точністю. Існує багато можливих висновків з теорії відносності, але кожен з них враховує майбутню долю Всесвіту. Ряд таких відкриттів запропонував Олександр Фрідман у 1922 році, а за ним і Жорж Леметр у 1927. Обидва вчені вивели так зване рівняння Фрідмана (але назву воно отримало на честь першовідкривача). Деякі моменти з нього передбачали розширення Всесвіту з сингулярності, що, власне, є сутністю теорії Великого вибуху.
Спостереження У 1920-х роках відомий астроном Едвін Габбл почав працювати в обсерваторії Маунт-Вілсон, де отримав доступ до найбільшого на той час телескопа Hooker. Більшість вчених тоді вважали, що Всесвіт складається тільки з нашої галактики. Габбл використав новий телескоп для спостереження за пульсуючими зорями, цефеїдами, які є індикаторами відстані в космосі. Його спостереження відкрили факт існування далеких від Чумацького Шляху об'єктів: видимі в телескопі туманності були доказом існування інших галактик.
1931 року Габбл опублікував роботу, у якій стверджував, що галактики розбігаються одна від одної зі швидкістю, пропорційною відстані між ними. Це відкриття зруйнувало стаціонарну модель Всесвіту, яка існувала ще з часів Арістотеля. З того часу зародження Всесвіту та його можливий кінець стали темою обговорення багатьох вчених.
Теорії Великого Вибуху та Стаціонарного Всесвіту
1927 року Жорж Леметр запропонував теорію щодо походження Всесвіту, яку назвали теорією Великого Вибуху. Базуючись на дослідженнях Едвіна Габбла та на рівнянні Фрідмана, Леметр припустив, що розширення галактик можна екстраполювати в минуле, звівши все до єдиної точки.
1948 року Фред Гойл запропонував протилежну гіпотезу, у якій висловив думку про те, що Всесвіт хоч і розширюється постійно, але залишається статичним через появу нової матерії.
Прихильники цих теорій сперечалися між собою аж до відкриття, зробленого Арно Пензіасом та Робертом Вілсоном 1965 року. Вони відкрили так зване реліктове випромінювання, яке було передбачено теорією Великого Вибуху, але не теорію Стаціонарного Всесвіту. У результаті теорія Великого Вибуху стала домінуючою теорією створення Всесвіту серед науковців.
Космологічна стала Коли Ейнштейн тільки сформулював свою теорію відносності, він та його сучасники вважали, що Всесвіт перебуває у стаціонарному стані. Щоб це довести, він ввів у свої рівняння так звану космологічну сталу, параметр простору-часу, який дозволяв Всесвіту залишатися сталим. Але коли Едвін Габбл довів, що Всесвіт постійно розширюється, Ейнштейн назвав космологічну сталу «найбільшою помилкою свого життя».
Параметр густини Всесвіту
Найважливішу роль у долі Всесвіту відіграє параметр густини, Омега (Ω), який є результатом ділення середньої густини Всесвіту на критичне значення цієї густини. При цьому існує три варіанти значення Ω:
Ω < 1 — відкритий Всесвіт,
Ω = 1 — плоский Всесвіт,
Ω > 1 — замкнутий Всесвіт.
Ці три сценарії стосуються усієї геометрії простору, тому особливо важливим питанням для космологів є значення цього параметра.
Роль форми Всесвіту Див. також: Форма Всесвіту
Сьогодні більшість космологів вважає, що доля Всесвіту залежить від його форми, кількості темної енергії у ньому та від рівняння, що показує залежність густини темної енергії від розширення Всесвіту. Недавні спостереження показують, що коефіцієнт швидкості розширення зростає відповідно до теорії Відкритого Всесвіту, але дослідження WMAP дозволяють припустити, що Всесвіт є плоским або перебуває в стані, подібному до плоского.
Замкнений Всесвіт Якщо Ω > 1, то геометрія у Всесвіті замкнута подібно до сфери. Сума кутів трикутника перевищує 180 градусів, а паралельні лінії врешті-решт перетинаються. Геометрія Всесвіту, принаймні у великих масштабах, є сферичною.
У замкнутому просторі сила тяжіння врешті-решт зупинить розширення Всесвіту, після чого він почне стискатися допоки вся матерія не сколапсує в єдину точку. Такий перехід до сингулярності називається «Великим стисканням», він є протилежністю Великого вибуху.
Ця теоретична можливість нової сингулярності дає нагоду деяким космологом вважати, що та ж сингулярність, яка була початковою для нашого Всесвіту, була заключною подією в минулому циклі життя Всесвіту. Тому все існування Всесвіту це нескінченний цикл, з поступовим чергуванням розширення та стиснення. Період такого циклу коливається від 60 млрд до 1000 млрд років.
Деякі сучасні теорії припускають, що у космосі є неймовірно велика кількість темної енергії, сили відштовхування якої вистачить, аби розширення Всесвіту тривало вічно — навіть при Ω > 1.
Відкритий Всесвіт
Якщо Ω < 1, то геометрія простору є відкритою, нагадуючи поверхню сідла (див. малюнок). Сума кутів трикутника менша за 180 градусів, а поверхні мають від'ємну кривину. Геометрія такого Всесвіту гіперболічна.
Навіть без темної енергії такий Всесвіт буде розширюватися завжди, сила тяжіння у такому випадку майже не впливає на швидкість розширення, а з темною енергію воно навіть прискориться. У такому випадку Всесвіт спіткає теплова смерть.
Плоский Всесвіт Якщо середня густина матерії Всесвіту дорівнює критичній густині (Ω = 1), то геометрія Всесвіту є евклідовою: сума кутів трикутника дорівнює 180 градусів, а паралельні лінії ніколи не перетинаються. Вимірювання зонда WMAP підтвердили, що Всесвіт є плоским, але з 0,4 % шансом помилки.
Якщо темна енергія відсутня, плоский Всесвіт буде розширюватися завжди, але повільніше з кожною секундою. Врешті-решт, швидкість розширення буде наближатися до нуля. За наявності темної енергії швидкість розширення Всесвіту спочатку сповільниться через сили тяжіння, але потім зросте. Доля Всесвіту в такому випадку аналогічна до теорії Відкритого Всесвіту.
Теплова смерть Всесвіту
Теплова смерть є найбільш імовірним сценарієм кінця існування Всесвіту. Основні положення теорії Великого заморожування були сформульовані німецьким фізиком Рудольфом Клаузіусом у 1865 році. За його гіпотезою, ми мусимо розглядати Всесвіт як ізольовану систему (тобто таку, яка не обмінюється енергією з подібною системою). Беручи до уваги другий закон термодинаміки, вчений зробив висновок, що ентропія у Всесвіті неперервно зростає, наближаючись до максимуму. Як наслідок, у Всесвіті через деякий час мають припинитися всі макроскопічні процеси.
У 1970-х роках майбутнє Всесвіту було досліджено Джамалем Ісламом та Фріменом Дайсоном. А фізики Фред Адамс та Грег Лафлін розділили цю хронологію на п'ять епох, відлік яких починається з Великого Вибуху.
Початкова епоха (у 10−36–105 роках) Перша, початкова епоха — це час у минулому відразу після Великого вибуху, коли ніякі зорі ще не сформувалися. У дуже короткий час створюються та знищуються деякі елементарні частинки. Поступово гравітація стає домінуючою силою у Всесвіті.
Між 380 000 роком і 550 млн роком після Великого Вибуху Всесвіт заповнений воднем та гелієм, реліктовим випромінюванням . Зорі, квазари та інші яскраві джерела ще не існують.
Епоха зір (у 106–1014 роках) Теперішня ера, ера активного народження зір, закінчиться саме тоді, коли галактики вичерпають усі запаси міжзоряного газу. У цей же час щезнуть маломасивні зорі — червоні карлики, — повністю вичерпавши свої джерела горіння.
Набагато раніше згасне Сонце — спочатку воно перетвориться на червоного гіганта, поглинувши Меркурій та Венеру. Земля, навіть якщо її не спіткає така ж доля, розжариться настільки, що буде являти собою згусток лави на денній стороні.
У цю епоху відбувається злиття Чумацького шляху з галактикою Андромеди.
Епоха розпаду (у 1015–1039 роках) Якщо у попередній стадії усі основні об'єкти Всесвіту — зорі, подібні до Сонця, то в еру розпаду — білі та коричневі карлики, а також більш рідкісні нейтронні зорі та чорні діри.
Якщо у минулій стадії горіння водню було найпоширенішим процесом, то домінуватимуть процеси анігіляції та, можливо, розпаду протонів (такий розпад є гіпотетичним).
Галактики також дуже відрізнятимуться від теперішніх: усі зорі неодноразово зіштовхувалися одна з одною. Розмір галактик значно збільшився: усі галактики, що входять до складу місцевих скупчень, злилися в одну.
Через 1040 років остаточно розпадуться нукліди.
Епоха чорних дір (у 1040–10100 роках)
На цьому етапі майже вся матерія представлена морем елементарних частинок. Лише на деяких ділянках Всесвіту продовжують існувати нейтронні зорі. На перший план виходять чорні діри.
За попередні декади вони значно збільшили свій розмір за рахунок речовини, але в цю будуть її випромінювати. Основних механізмів тут два: зіткнення чорних дір та їхнє наступне злиття вивільнює значну гравітаційну енергію, створюючи гравітаційні хвилі. Другим механізмом є випромінювання Гокінга: завдяки своїй природі деяким фотонам вдається пробиватися за горизонт подій. Разом із фотонами чорна діра втрачає й масу, а втрата маси веде до ще більшого потоку фотонів. В якийсь момент гравітація більше не може утримувати фотони під горизонтом подій і чорна діра вибухає, викидаючи останні залишки фотонів.
Епоха вічної тьми (після 10101 року) У цій ері вже не залишилося ніяких джерел енергії. Збереглися лише кінцеві продукти всіх процесів, що відбувалися в минулих декадах: фотони з великою довжиною хвилі, нейтрино, електрони, позитрони та кварки. Температура поступово наближається до абсолютного нуля. Час від часу електрони та позитрони створюють нестабільні атоми позитронію, але потім їх все одно спіткає повна анігіляція.
Випадкові квантові флуктуації або квантове тунелювання можуть навіть призвести до повторного Великого вибуху у році. За відсутності темної енергії теплова смерть може настати лише в плоскому або відкритому Всесвіті, а з позитивним значенням космологічної сталої — у замкненому.
Більшість вчених вважають сценарій теплової смерті однією з найважливіших гіпотез у космології.
Інші теорії Як уже зазначалося, доля Всесвіту залежить від густини матерії у ньому. На підставі вимірів швидкості розширення та густини речовини Всесвіту більшість вчених вважають сценарій «Великого заморожування» (тобто теплової смерті) найбільш імовірним сценарієм кінця існування всього живого у Всесвіті. Але допоки ця теорія остаточно не підтвердилася, ми маємо розглядати альтернативні версії майбутнього Всесвіту.
Великий розрив