Большое сжатие — это гипотетический сценарий окончательной судьбы Вселенной , в котором расширение Вселенной в конечном итоге обращается вспять, и Вселенная повторно коллапсирует, в конечном итоге приводя к тому, что космический масштабный фактор достигает нуля, событие, за которым потенциально следует реформация Вселенной, начинающаяся с другого Большого взрыва . Подавляющее большинство доказательств указывает на то, что эта гипотеза неверна. Вместо этого астрономические наблюдения показывают, что расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется гравитацией , что предполагает, что Большое замораживание более вероятно. [1] [2] [3] Тем не менее, некоторые физики предположили, что событие «в стиле Большого сжатие» может быть результатом флуктуации темной энергии . [4]
Гипотеза восходит к 1922 году, когда русский физик Александр Фридман создал набор уравнений, показывающих, что конец Вселенной зависит от ее плотности . Она может либо расширяться, либо сжиматься, а не оставаться стабильной. При достаточном количестве материи гравитация может остановить расширение Вселенной и в конечном итоге обратить его вспять. Это обращение приведет к коллапсу Вселенной, что не слишком отличается от черной дыры . [5]
Конец Большого сжатия будет заполнен излучением от звезд и частиц высокой энергии ; когда оно сконденсируется и сместится в синюю область спектра до более высокой энергии, оно будет достаточно интенсивным, чтобы поджечь поверхность звезд до их столкновения. [6] В последние мгновения Вселенная будет представлять собой один большой огненный шар с температурой бесконечности, а в абсолютном конце не останется ни времени, ни пространства. [7]
Сценарий Большого сжатия [8] выдвинул гипотезу, что плотность материи во всей Вселенной достаточно высока, чтобы гравитационное притяжение преодолело расширение, начавшееся с Большого взрыва. Космология FLRW может предсказать, остановится ли расширение в конечном итоге, на основе средней плотности энергии , параметра Хаббла и космологической постоянной . Если расширение остановилось, то неизбежно последует сжатие, ускоряющееся с течением времени и завершающее Вселенную своего рода гравитационным коллапсом , превращающим Вселенную в черную дыру.
Экспериментальные данные конца 1990-х и начала 2000-х годов (а именно, наблюдение далеких сверхновых в качестве стандартных свечей и хорошо разрешённое картирование космического микроволнового фона ) привели к выводу, что расширение Вселенной не замедляется гравитацией, а, напротив, ускоряется . [ 9] Нобелевская премия по физике 2011 года была присуждена исследователям, внесшим вклад в это открытие. [1]
Гипотеза Большого сжатия также приводит к другой гипотезе, известной как Большой отскок , в которой после того, как Большой сжатие уничтожает Вселенную, она совершает своего рода отскок, вызывая еще один Большой взрыв. [10] Это потенциально может повторяться вечно в явлении, известном как циклическая Вселенная.
Ричард Бентли, церковный деятель и ученый, направил Исааку Ньютону письмо , готовясь к лекции о теориях Ньютона и неприятии атеизма :
Если мы находимся в конечной Вселенной и все звезды притягиваются друг к другу, не будут ли они все сжиматься в особую точку, а если мы находимся в бесконечной Вселенной с бесконечным числом звезд, не будут ли бесконечные силы во всех направлениях влиять на все эти звезды?
Этот вопрос известен как парадокс Бентли , ранний предшественник Большого сжатия. Хотя теперь известно, что звезды движутся и не являются статичными. [11]
Альберт Эйнштейн выступал за неизменную модель Вселенной. В 1917 году он сотрудничал с голландским астрономом Виллемом де Ситтером , чтобы продемонстрировать, что общая теория относительности будет работать со статической моделью; Виллем продемонстрировал, что его уравнения могут описывать очень простую Вселенную. Не найдя изначально никаких проблем, ученые адаптировали модель для описания Вселенной. Они столкнулись с другой формой парадокса Бентли. [13]
Общая теория относительности также описывала вселенную как беспокойную. Эйнштейн понял, что для существования статической вселенной, которая наблюдалась в то время, необходима антигравитация, чтобы противостоять гравитации, сжимающей вселенную, добавляя дополнительную силу, которая разрушила бы уравнения теории относительности. В конце концов, космологическая постоянная , название силы антигравитации, была добавлена в теорию относительности. [14]
Эдвин Хаббл, работая в обсерватории Маунт-Вилсон, провел измерения расстояний до галактик и сопоставил их с измерениями Весто Силфера и Милтона Хьюмасона красных смещений, связанных с этими галактиками. Он обнаружил грубую пропорциональность между красным смещением объекта и его расстоянием. Хаббл построил линию тренда из 46 галактик, изучив и получив постоянную Хаббла , которую он вывел равной 500 км/с/Мпк, что почти в семь раз больше, чем считается сегодня, но все еще давая доказательство того, что Вселенная расширяется и не является статичным объектом. [15]
После публикации открытия Хаббла Эйнштейн отказался от космологической постоянной. В своей простейшей форме уравнения порождали модель Вселенной, которая расширялась или сжималась. Противореча тому, что наблюдалось, отсюда и создание космологической постоянной. [16] После подтверждения того, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал свое предположение о том, что Вселенная статична, своей «величайшей ошибкой». В 1931 году Эйнштейн посетил Хаббла, чтобы поблагодарить его за «предоставление основы современной космологии». [17] После этого открытия модели Эйнштейна и Ньютона сжимающейся, но статичной Вселенной были отброшены в пользу модели расширяющейся Вселенной.
Гипотеза под названием « Большой отскок » предполагает, что Вселенная может схлопнуться до состояния, в котором она началась, а затем инициировать еще один Большой взрыв, таким образом, Вселенная будет существовать вечно, но пройдет через фазы расширения (Большой взрыв) и сжатия (Большое сжатие). [10] Это означает, что может существовать Вселенная в состоянии постоянных Больших взрывов и Больших сжатий.
Циклические вселенные кратко рассматривались Альбертом Эйнштейном в 1931 году. Он выдвинул гипотезу, что до Большого взрыва существовала вселенная, которая закончилась Большим сжатием, которое могло создать Большой взрыв как реакцию. Наша вселенная может находиться в цикле расширения и сжатия, цикле, возможно, продолжающемся бесконечно.
Существуют и более современные модели циклических вселенных. Экпиротическая модель , созданная Полом Стейнхардтом , утверждает, что Большой взрыв мог быть вызван двумя параллельными орбифолдными плоскостями, называемыми бранами, сталкивающимися в многомерном пространстве. [18] Четырехмерная вселенная лежит на одной из бран. Столкновение соответствует Большому сжатию, затем Большому взрыву. Материя и излучение вокруг нас сегодня являются квантовыми флуктуациями , существовавшими до бран. Через несколько миллиардов лет вселенная достигла своего современного состояния, и она начнет сжиматься еще через несколько миллиардов лет. Темная энергия соответствует силе между бранами, что позволяет решать такие проблемы, как плоскостность и монополь в предыдущих моделях. Циклы также могут бесконечно уходить в прошлое и будущее, а аттрактор допускает полную историю вселенной. [19]
Это устраняет проблему более ранней модели Вселенной, входящей в тепловую смерть из-за накопления энтропии . Новая модель избегает этого с помощью чистого расширения после каждого цикла, останавливая накопление энтропии. Однако в этой модели все еще есть некоторые недостатки. Основа модели, браны, все еще не полностью поняты струнными теоретиками, и возможность того, что масштабно-инвариантный спектр может быть разрушен большим сжатием. В то время как космическая инфляция и общий характер сил — или столкновение бран в экпиротической модели — необходимые для создания вакуумных флуктуаций известны. Кандидат из физики элементарных частиц отсутствует. [20]
Физик Роджер Пенроуз выдвинул теорию, основанную на общей теории относительности, называемую конформной циклической космологией , в которой Вселенная расширяется до тех пор, пока вся материя не распадется и не превратится в свет. Поскольку ничто во Вселенной не имеет какой-либо шкалы времени или расстояния, связанной с ним, оно становится идентичным Большому взрыву (что приводит к типу Большого сжатия, которое становится следующим Большим взрывом, таким образом начиная следующий цикл). [21] Пенроуз и Гурзадян предположили, что сигнатуры конформной циклической космологии потенциально могут быть обнаружены в космическом микроволновом фоне ; по состоянию на 2020 год они не были обнаружены. [22]
В этой модели также есть некоторые недостатки: скептики указали, что для того, чтобы сопоставить бесконечно большую вселенную с бесконечно малой вселенной, все частицы должны потерять свою массу, когда вселенная стареет. Пенроуз представил доказательства CCC в виде колец, которые имели однородную температуру в CMB, идея заключалась в том, что эти кольца были бы сигнатурой в нашем эоне — эон является текущим циклом вселенной, в которой мы находимся — был вызван сферическими гравитационными волнами, вызванными сталкивающимися черными дырами из нашего предыдущего эона. [23]
Петлевая квантовая космология — это модель вселенной, которая предлагает «квантовый мост» между расширяющимися и сжимающимися вселенными. В этой модели квантовая геометрия создает совершенно новую силу, которая незначительна при низкой кривизне пространства-времени, но которая очень быстро растет в режиме Планка , подавляя классическую гравитацию и разрешая сингулярности общей теории относительности . Как только сингулярности разрешены, концептуальная парадигма космологии меняется, заставляя пересматривать стандартные вопросы, такие как проблема горизонта, с новой точки зрения. [24]
В этой модели, благодаря квантовой геометрии, Большой взрыв заменяется Большим отскоком без каких-либо предположений или какой-либо тонкой настройки. Подход эффективной динамики широко использовался в петлевой квантовой космологии для описания физики в масштабе Планка, а также начала Вселенной. Численное моделирование подтвердило справедливость эффективной динамики, которая обеспечивает хорошее приближение полной петлевой квантовой динамики. Было показано, что когда состояния имеют очень большие квантовые флуктуации в поздние времена, это означает, что они не приводят к макроскопическим вселенным, как описано общей теорией относительности, но эффективная динамика отходит от квантовой динамики вблизи отскока и более поздней Вселенной. В этом случае эффективная динамика будет переоценивать плотность при отскоке, но она все равно будет чрезвычайно хорошо улавливать качественные аспекты. [25]
Если форма квинтэссенции, движимая скалярным полем, эволюционирующим вниз по монотонно убывающему потенциалу, который проходит достаточно ниже нуля, является (главным) объяснением темной энергии, и текущие данные (в частности, наблюдательные ограничения на темную энергию) также верны, ускоряющееся расширение Вселенной будет инверсией сжатия в космическом ближайшем будущем следующих 100 миллионов лет. Согласно исследованию Андрея-Иджаса-Штайнхардта, сценарий «естественно соответствует циклическим космологиям и недавним предположениям о квантовой гравитации ». Исследование предполагает, что фаза медленного сжатия будет «длиться в течение периода порядка 1 миллиарда лет, прежде чем Вселенная перейдет в новую фазу расширения». [26] [27] [28]
Пол Дэвис рассматривал сценарий, в котором Большое сжатие произойдет примерно через 100 миллиардов лет от настоящего момента. В его модели сжимающаяся Вселенная будет развиваться примерно так же, как расширяющаяся фаза в обратном порядке. Сначала скопления галактик , а затем галактики, сольются, и температура космического микроволнового фона (CMB) начнет расти, поскольку фотоны CMB сместятся в синюю сторону . Звезды в конечном итоге станут настолько близки друг к другу, что начнут сталкиваться друг с другом. Как только CMB станет горячее звезд M-типа (примерно за 500 000 лет до Большого сжатие в модели Дэвиса), они больше не смогут излучать свое тепло и будут готовить себя, пока не испарятся; это продолжается для последовательно более горячих звезд, пока звезды O-типа не выкипят примерно за 100 000 лет до Большого сжатие. В последние минуты температура Вселенной будет настолько велика, что атомы и атомные ядра распадутся и будут втянуты в уже сливающиеся черные дыры . Во время Большого сжатия вся материя во Вселенной будет сжата в бесконечно горячую, бесконечно плотную сингулярность , подобную Большому взрыву . [29] За Большим сжатием может последовать еще один Большой взрыв, создающий новую вселенную. [4]
В романе Дугласа Адамса «Ресторан у края Вселенной » идея заключается в том, что ресторан «Милливэйс» создан для того, чтобы посетители могли наблюдать конец Вселенной, или «Гнаб Гиб», как его называют, во время еды. [30] Термин иногда используется в мейнстриме, например (как «gnaB giB») в книге «Физика I для чайников » и в посте, посвященном Большому сжатию. [31]
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}: CS1 maint: location (link)
