Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

В 1929 году в ходе изучения красного смещения галактик астроном Эдвин Хаббл заметил поразительную закономерность. Более далеким галактикам в среднем свойственны более высокие показатели красного смещения. Эта закономерность позволила нам подтвердить гипотезу о расширении космоса и получить представление об этапах его эволюции. Обнаруженная Хабблом взаимосвязь между показателем красного смещения и скоростью говорит о том, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется.

Представьте, что вы берете в руки игрушку-пружинку «слинки» и растягиваете ее. (Просто растягиваете. Это для науки.) По мере разведения рук в стороны каждый виток пружинки удаляется от соседнего лишь на ширину пальца, при этом два витка на противоположных ее концах удаляются друг от друга более чем на метр. Если пространство расширяется равномерно во всех направлениях, подобные закономерности должны действовать и в космосе, что и обнаружил Хаббл в ходе своих наблюдений. Математически это выражается в виде простого правила: кажущаяся скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее. Из этого следует, во-первых, что более отдаленные объекты удаляются от нас быстрее. Во-вторых, существует некоторое число, на которое можно умножить расстояние до любой галактики, чтобы выяснить ее скорость. Несмотря на то что именно Хаббл в итоге доказал существование этой закономерности и вычислил приблизительное значение данного коэффициента, сама закономерность была описана теоретически на несколько лет раньше бельгийским астрономом и священником Жоржем Леметром. Поэтому данное отношение стало называться законом Хаббла – Леметра [29] В астрономическом сообществе его часто называют просто «Законом Хаббла», однако в 2018 году Международный астрономический союз принял решение официально признать вклад Леметра, добавив в название закона его фамилию. И я, сама будучи теоретиком, это одобряю. .

А коэффициент пропорциональности (число, на которое мы умножаем расстояние) – постоянной Хаббла.

Самой важной для нас в данном случае является связь между красным смещением и расстоянием. Она означает, что на основании измерения красного смещения далекой галактики мы можем точно определить расстояние до нее. (С некоторыми техническими оговорками [30] В «ближайшей» части Вселенной, где скорости удаления объектов относительно малы, эта задача сводится к простому делению: скорость, деленная на постоянную Хаббла, равна расстоянию. В случае с более удаленными объектами все несколько осложняется тем фактом, что постоянная Хаббла на самом деле не одинакова на всем протяжении космического времени, а при очень высоких скоростях пропорциональность не является строгой. В целом можно с уверенностью предположить, что если что-то в космологии звучит предельно просто, то это некое приближение, особый случай, или Теория всего, которую мы искали на протяжении всей своей жизни. (На третий вариант я бы не ставила.) .)

Однако красное смещение также связано с космическим временем. Расширение Вселенной многое в астрономии делает весьма странным, и одна из таких вещей заключается в использовании цвета, записанного в виде числа, для обозначения скорости, расстояния и «возраста, в котором находилась Вселенная в то время, когда данный объект испустил свет». Физика – безумная наука.

Вот как это работает. Если мы измерим красное смещение галактики, мы будем точно знать, насколько быстро она удаляется от нас, а с помощью закона Хаббла-Леметра мы можем выяснить расстояние до нее. Однако поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, и нам известна его скорость, знание расстояния также говорит нам о том, как долго свет был в пути. Это означает, что измерение красного смещения галактики позволяет понять, как давно свет ее покинул. А поскольку нам известен текущий возраст Вселенной, мы можем выяснить, сколько лет ей было в тот момент, когда данная галактика испустила свет, который мы видим.

Принимая все это во внимание, астрономы могут использовать красное смещение для обозначения более ранних эпох Вселенной. «Высокое значение красного смещения» говорит о давнем времени, когда Вселенная была очень молодой; «низкое значение красного смещения» соответствует более позднему периоду. Нулевое красное смещение характерно для локального участка современной Вселенной; красное смещение, равное 1 – для периода, имевшего место семь миллиардов лет назад. Красное смещение, равное 6, соответствует Вселенной в возрасте около одного миллиарда лет, а в самом ее начале, если бы мы могли это увидеть, красное смещение было бы равно бесконечности.

Итак, галактика с большим красным смещением – это далекий объект, который существовал на заре Вселенной, а галактика с маленьким красным смещением – это сравнительно близкий объект, существующий в «современном» космосе.

Взаимосвязь между расстоянием, возрастом и красным смещением имеет в космологии огромное значение. Однако она опирается на тот факт, что скорость удаления всегда и предсказуемым образом увеличивается с расстоянием. Но что если процесс расширения внезапно замедлится? Что если он остановится и обратится вспять? В этом случае наши правила измерения расстояний перестанут работать, что расстроит очень многих астрономов. Другим, почти столь же важным последствием, – в зависимости от того, кого вы спросите, – будет гарантированная гибель Вселенной и всего, что в ней находится.

С тех пор, как мы выяснили, что (1) Вселенная началась с Большого взрыва и (2) в настоящее время она расширяется, нас интересует вопрос, может ли этот процесс обратиться вспять и закончиться катастрофическим Большим сжатием. Исходя из некоторых очень простых и разумных предположений, мы можем выделить всего три варианта развития событий для расширяющейся Вселенной, и все они являются прямыми аналогами того, что может случиться с мячом, подброшенным в воздух.

Представьте, что вы выходите на улицу на планете Земля и подбрасываете бейсбольный мяч прямо вверх. У вас нечеловечески сильная рука, а сопротивление воздуха не имеет значения. Что произойдет?

В обычном случае в течение некоторого времени мяч поднимается вверх, повинуясь заданному вами первичному импульсу, однако, покинув вашу руку, он сразу начинает замедляться под воздействием силы земного притяжения [31] Технически мяч и Земля притягивают друг друга, поскольку гравитация действует в обе стороны, однако воздействие, которое оказывает на Землю гравитационное поле мяча, не то чтобы сильное. . В конце концов, он остановится и начнет двигаться к вам и планете, на которой вы стоите. Но если бы вам удалось бросить мяч невероятно быстро – со скоростью 11,2 км/с (вторая космическая скорость или скорость убегания), вы могли бы придать мячу достаточный импульс для того, чтобы он покинул Землю и остановился лишь в бесконечно далеком будущем после длительного постепенного замедления (или при столкновении с каким-либо объектом). Если бы вы бросили мяч еще быстрее, он мог бы двигаться вечно, не испытывая никакого гравитационного воздействия со стороны Земли.