Большое сжатие — это гипотетический сценарий окончательной судьбы Вселенной , в котором расширение Вселенной в конечном итоге обратится вспять и Вселенная снова схлопнется, что в конечном итоге приведет к тому, что коэффициент космического масштаба достигнет нуля, событие, за которым потенциально может последовать преобразование Вселенной, начиная с еще одним Большим Взрывом . Подавляющее большинство данных указывает на то, что эта гипотеза неверна. Вместо этого астрономические наблюдения показывают, что расширение Вселенной ускоряется , а не замедляется гравитацией , что позволяет предположить, что Большое Похолодание более вероятно. [1] [2] [3] Однако существуют новые теории, которые предполагают, что событие в стиле «Большого сжатия» может произойти в результате колебания темной энергии ; однако это все еще обсуждается среди ученых. [4]
Теория возникла в 1922 году, когда русский физик Александр Фридман создал систему уравнений, показывающую, что конец Вселенной зависит от ее плотности . Вместо того, чтобы оставаться стабильным, он может либо расширяться, либо сжиматься. При достаточном количестве материи гравитация могла бы остановить расширение Вселенной и в конечном итоге повернуть его вспять. Этот разворот приведет к коллапсу Вселенной, что не слишком отличается от черной дыры . [5]
Конец Большого сжатия будет наполнен излучением звезд и частиц высокой энергии ; когда он конденсируется и смещается в сторону более высокой энергии, он становится достаточно интенсивным, чтобы воспламенить поверхность звезд до их столкновения. [6] В последние мгновения Вселенная станет одним большим огненным шаром с бесконечной температурой, и в абсолютном конце не останется ни времени, ни пространства. [7]
Сценарий Большого сжатия [8] предполагал, что плотность материи во Вселенной достаточно высока, чтобы гравитационное притяжение преодолело расширение, начавшееся с Большого взрыва. Космология FLRW может предсказать, остановится ли расширение в конечном итоге, основываясь на средней плотности энергии , параметре Хаббла и космологической постоянной . Если расширение остановится, то неизбежно последует сжатие, ускоряющееся с течением времени и заканчивающее Вселенную своего рода гравитационным коллапсом , превращающим Вселенную в черную дыру.
Экспериментальные данные в конце 1990-х и начале 2000-х годов (а именно, наблюдение далеких сверхновых в виде стандартных свечей и хорошо разрешенное картирование космического микроволнового фона ) [9] привели к выводу, что расширение Вселенной не замедляется. гравитация, а вместо этого ускоряется . Нобелевская премия по физике 2011 года была присуждена исследователям, внесшим вклад в это открытие. [1]
Теория Большого сжатия также приводит к другой гипотезе, известной как Большой отскок , согласно которой после того, как большое сжатие разрушает Вселенную, она совершает своего рода отскок, вызывая еще один большой взрыв. [10] Потенциально это может повторяться вечно в явлении, известном как циклическая Вселенная.
Ричард Бентли, церковный деятель и ученый, готовясь к лекции о теориях Ньютона и отказе от атеизма , отправил письмо сэру Исааку Ньютону :
«Если мы находимся в конечной вселенной и все звезды притягиваются друг к другу, не схлопнутся ли они все в единую точку, а если мы находимся в бесконечной вселенной с бесконечными звездами, не будут ли бесконечные силы во всех направлениях влиять на все эти звезды?"
Этот вопрос известен как парадокс Бентли [11] — прото-теория Большого сжатия. Хотя теперь известно, что звезды движутся и не статичны.
Альберт Эйнштейн предпочитал совершенно 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 описать очень простую Вселенную. Первоначально не обнаружив никаких проблем, ученые адаптировали модель для описания Вселенной. Однако они столкнулись с другой формой парадокса Бентли. [13]
Теория общей относительности также описывала Вселенную как беспокойную, что противоречило полученной им информации. Эйнштейн понял, что для существования статической Вселенной – что наблюдалось в то время – необходима антигравитация, которая противодействовала бы гравитации, сжимающей Вселенную, добавляя дополнительную силу, которая разрушила бы уравнения теории относительности. В конце концов, в теорию относительности была добавлена космологическая постоянная , название антигравитационной силы. [14]
Эдвин Хаббл, работавший в обсерватории Маунт-Вилсон, провел измерения расстояний до галактик и сравнил их с измерениями Красного смещения, связанными с указанными галактиками, Весто Сильфером и Милтоном Хьюмасоном . Он обнаружил грубую пропорциональность между красным смещением объекта и расстоянием до него. Хаббл построил линию тренда для 46 галактик, изучив и получив постоянную Хаббла , которая, как он пришел к выводу, равна 500 км/с/Мпк, что почти в семь раз превышает то, что считается сегодня, но все же дает доказательство того, что Вселенная расширяется и расширяется. не статический объект. [15]
После публикации открытия Хаббла Эйнштейн полностью отказался от космологической постоянной. В своей простейшей форме эти уравнения создавали модель Вселенной, которая расширялась или сжималась. Вопреки наблюдаемому, отсюда и возникла космологическая постоянная. [16] После подтверждения того, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал свое предположение о статичности Вселенной своей «самой большой ошибкой». В 1931 году Эйнштейн посетил Хаббл, чтобы поблагодарить его за «обеспечение основы современной космологии». [17]
После этого открытия модели Эйнштейна и Ньютона сжимающейся, но статической Вселенной были заменены моделью расширяющейся Вселенной.
Теория под названием « Большой отскок » предполагает, что Вселенная может схлопнуться в то состояние, в котором она началась, а затем инициировать новый Большой взрыв, таким образом, Вселенная будет существовать вечно, но будет проходить через фазы расширения (Большой взрыв) и сжатия (Большой взрыв). Большой кризис). [10] Это означает, что Вселенная может находиться в состоянии постоянных Больших Взрывов и Больших Сжатий.
Циклические вселенные были кратко рассмотрены Альбертом Эйнштейном в 1931 году. Он предположил, что существовала Вселенная до Большого взрыва, который закончился Большим сжатием, которое могло вызвать Большой взрыв в качестве реакции. Наша Вселенная может находиться в цикле расширения и сжатия, цикле, возможно, продолжающемся бесконечно.
Существуют и более современные теории циклических вселенных. Экпиротическая теория , созданная Полом Стейнхардтом , утверждает, что Большой взрыв мог быть вызван двумя параллельными орбифолдными плоскостями, называемыми бранами , столкнувшимися в пространстве более высоких измерений. [18] Четырехмерная вселенная лежит на одной из бран. Столкновение соответствует Большому сжатию, а затем Большому взрыву. Материя и излучение вокруг нас сегодня — это квантовые флуктуации , существовавшие до бран. Через несколько миллиардов лет Вселенная достигла современного состояния, и через несколько миллиардов лет она начнет сжиматься. темная энергия соответствует силе между бранами, что позволяет решить такие проблемы, как плоскостность и монополь в предыдущих теориях. Циклы также могут бесконечно идти в прошлое и будущее, а аттрактор позволяет узнать полную историю Вселенной. [19]
Это решает проблему, связанную с тем, что более ранняя модель Вселенной перешла в тепловую смерть из-за накопления энтропии . Новая модель позволяет избежать этого за счет чистого расширения после каждого цикла, останавливая накопление энтропии. Однако в этой модели все же есть некоторые недостатки. Основа теории — браны — до сих пор не полностью понята теоретиками струн, а также возможность того, что масштабно-инвариантный спектр может быть разрушен в результате большого сжатия. Хотя космическая инфляция и общий характер сил (или столкновений бран в модели Экпиротики), необходимых для создания вакуумных флуктуаций , известны. Кандидат по физике элементарных частиц отсутствует. [20]
Физик Роджер Пенроуз выдвинул основанную на общей теории относительности теорию, 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 связанной с ним шкалы времени или расстояния, оно становится идентичным Большому взрыву (что приводит к своего рода Большому сжатию, которое становится следующим Большим взрывом, тем самым начиная следующий цикл). [21] Пенроуз и Гурзадян предположили, что признаки конформной циклической космологии потенциально могут быть обнаружены в космическом микроволновом фоне ; по состоянию на 2020 год они не обнаружены. [22]
В этой теории также есть некоторые недостатки, скептики отмечали, что для того, чтобы сопоставить бесконечно большую Вселенную с бесконечно маленькой Вселенной, все частицы должны терять свою массу, когда Вселенная стареет. Однако Пенроуз представил доказательства существования CCC в виде колец, которые имели одинаковую температуру в реликтовом излучении. Идея заключалась в том, что эти кольца будут признаком нашего эона (эон — это текущий цикл Вселенной, в которой мы находимся), была вызванные сферическими гравитационными волнами, вызванными сталкивающимися черными дырами из нашего предыдущего эона. [23]
Петлевая квантовая космология — это модель Вселенной, предлагающая «квантовый мост» между расширяющейся и сжимающейся вселенными. В этой модели квантовая геометрия создает совершенно новую силу, которая незначительна при низкой кривизне пространства-времени, но которая очень быстро возрастает в режиме Планка , подавляя классическую гравитацию и разрешая особенности общей теории относительности . Как только сингулярности решены, концептуальная парадигма космологии меняется, заставляя вернуться к стандартным проблемам, таким 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 точной настройки. Подход эффективной динамики широко использовался в петлевой квантовой космологии для описания физики в масштабе Планка, а также начала Вселенной. Численное моделирование подтвердило обоснованность эффективной динамики, которая обеспечивает хорошее приближение квантовой динамики полного цикла. Было показано, что состояния имеют очень большие квантовые флуктуации в поздние времена, то есть они не приводят к макроскопическим вселенным, как описано в общей теории относительности, но эффективная динамика отличается от квантовой динамики вблизи отскока и более поздней Вселенной. В этом случае эффективная динамика будет переоценивать плотность при отскоке, но все равно очень хорошо улавливает качественные аспекты. [25]
Если форма квинтэссенции , движимая скалярным полем, развивающимся вниз по монотонно убывающему потенциалу, который проходит значительно ниже нуля, является (основным) объяснением темной энергии и текущих данных (в частности, наблюдательных ограничений темной энергии), то ускоряющееся расширение В ближайшем космическом будущем, в следующие 100 миллионов лет, Вселенная обратится к сжатию. Согласно исследованию Андрея-Иджаса-Стейнхардта, этот сценарий «естественно согласуется с циклическими космологиями и недавними гипотезами о квантовой гравитации ». Исследование предполагает, что фаза медленного сжатия «продлится около 1 миллиарда лет, прежде чем Вселенная перейдет в новую фазу расширения». [26] [27] [28]
Пол Дэвис рассмотрел сценарий, согласно которому Большое сжатие произойдет примерно через 100 миллиардов лет от настоящего времени. В его модели сжимающаяся Вселенная будет развиваться примерно так же, как фаза расширения, наоборот. Сначала скопления галактик , а затем и галактики, сольются, и температура космического микроволнового фона (CMB) начнет расти по мере того, как фотоны CMB будут смещаться в голубую сторону . Звезды в конечном итоге станут настолько близко друг к другу, что начнут сталкиваться друг с другом. Как только реликтовое излучение станет горячее, чем звезды М-типа (примерно за 500 000 лет до Большого сжатия в модели Дэвиса), они больше не смогут излучать свое тепло и будут готовиться, пока не испарятся; это продолжается для все более горячих звезд, пока звезды О-типа не испарятся примерно за 100 000 лет до Большого сжатия. В последние минуты температура Вселенной станет настолько высокой, что атомы и атомные ядра распадутся и будут поглощены уже слившимися черными дырами . Во время Большого сжатия вся материя во Вселенной была бы сжата в бесконечно горячую и бесконечно плотную сингулярность , подобную Большому взрыву . [29] За Большим сжатием может последовать еще один Большой взрыв, создающий новую вселенную.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}: CS1 maint: location (link)
