Введение

Теоретический сценарий окончательной судьбы Вселенной

Большое сжатие — это гипотетический сценарий окончательной судьбы Вселенной, в котором расширение Вселенной в конечном итоге сменится обратным, и Вселенная начнет сжиматься, в конечном счете приведя к тому, что космический масштабный фактор достигнет нуля, событию, которое потенциально может быть заменено реформированием Вселенной, начиная с нового Большого взрыва. Подавляющее большинство имеющихся данных указывает на то, что эта гипотеза неверна. Вместо этого астрономические наблюдения показывают, что расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется под действием гравитации, что говорит о большей вероятности наступления Большого замерзания. Однако некоторые физики предположили, что событие, подобное Большому сжатию, может быть результатом флуктуации темной энергии. Теория берет начало в 1922 году, когда русский физик Александр Фридман разработал 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. Этот обратный процесс приведет к коллапсу Вселенной на себя, что не сильно отличается от черной дыры. В конце Большого сжатия пространство заполнится излучением звезд и высокоэнергетическими частицами; когда это излучение сгустится и подвергнется гравитационному синему смещению, его энергия станет настолько высокой, что способна воспламенить поверхности звезд до их столкновения. В последние мгновения Вселенная превратится в один огромный огненный шар с бесконечной температурой, и в абсолютном конце не останется ни времени, ни пространства.

Обзор

Сценарий Большого Сжатия (Big Crunch) предполагает, что плотность материи во Вселенной достаточно велика, чтобы гравитационное притяжение преодолело расширение, начавшееся с Большого взрыва. Космология ФРВ (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 завершающее Вселенную своего рода гравитационным коллапсом, превращая Вселенную в чёрную дыру. Экспериментальные данные, полученные в конце 1990-х и начале 2000-х годов (в частности, наблюдения за далёкими сверхновыми как за стандартными свечами и детальное картирование космического микроволнового фона), привели к выводу, что расширение Вселенной не замедляется гравитацией, а наоборот, ускоряется. Нобелевская премия по физике 2011 года была присуждена исследователям, внесшим вклад в это открытие – первоначальной теории Большого Сжатия. Хотя сейчас известно, что звёзды движутся и не являются статичными.

Космологическая константа Эйнштейна

Альберт Эйнштейн отдавал предпочтение полностью статичной модели Вселенной. В 1917 году он сотрудничал с голландским астрономом Виллемом де Ситтером, чтобы показать, что теория общей относительности согласуется со статической моделью; де Ситтер продемонстрировал, что его уравнения могут описать очень простую Вселенную. Не обнаружив первоначально никаких проблем, ученые адаптировали эту модель для описания Вселенной. Однако они столкнулись с иной разновидностью парадокса Бентли. Теория общей относительности также описывала Вселенную как динамичную, что противоречило его наблюдениям. Эйнштейн понял, что для существования статической Вселенной – что казалось верным в то время – потребовалась бы антигравитация, чтобы противодействовать гравитационному сжатию Вселенной, добавляя дополнительную силу, которая нарушила бы уравнения теории относительности. В итоге, в теорию относительности была введена космологическая постоянная, обозначающая эту антигравитационную силу.

Открытие закона Хаббла

Эдвин Хаббл, работавший в обсерватории Маунт-Уилсон, измерил расстояния до галактик и сопоставил их с измерениями красного смещения, выполненными Весто Сильфером и Милтоном Хумасоном для этих галактик. Он обнаружил приблизительную пропорциональность между красным смещением объекта и его расстоянием. Хаббл построил график зависимости на основе данных о 46 галактиках, в результате чего получил константу Хаббла, которую он оценил в 500 км/с/Мпк – почти в семь раз больше современного значения, но тем не менее предоставив доказательство расширения Вселенной и опровергнув представление о ней как о статичной системе.

Отказ от космологической константы

После публикации открытия Хаббла Эйнштейн полностью отказался от космологической постоянной. В своей простейшей форме уравнения порождали модель Вселенной, которая либо расширялась, либо сжималась. Это противоречило наблюдениям, что и послужило причиной введения космологической постоянной. После подтверждения расширения Вселенной Эйнштейн назвал свое предположение о статичности Вселенной своей "величайшей ошибкой". В 1931 году Эйнштейн посетил Хаббла, чтобы поблагодарить его за "заложивший основу современной космологии". После этого открытия модели Эйнштейна и Ньютона о сжимающейся, но статичной Вселенной были заменены моделью расширяющейся Вселенной.

Циклические вселенные

Теория, называемая «Большим отскоком», предполагает, что Вселенная может схлопнуться до состояния, в котором она возникла, а затем инициировать новый Большой взрыв, таким образом, Вселенная будет существовать вечно, попеременно проходя через фазы расширения (Большой взрыв) и сжатия (Большой сжатие). Это означает, что может существовать Вселенная, находящаяся в состоянии непрерывных Больших взрывов и Больших сжатий. Идея циклических вселенных была кратко рассмотрена Альбертом Эйнштейном в 1931 году. Он предположил, что до Большого взрыва существовала Вселенная, которая завершилась Большим сжатием, которое, в свою очередь, могло породить Большой взрыв как реакцию. Наша Вселенная может находиться в цикле расширения и сжатия, который, возможно, продолжается бесконечно.

Экпиротическая модель

Существуют и более современные теории циклических вселенных. Теория Экпирота, разработанная Полом Стейнхардтом, утверждает, что Большой взрыв мог быть вызван столкновением двух параллельных орбитальных плоскостей, называемых бранами, в пространстве более высоких измерений. Четырехмерная вселенная существует на одной из этих бран. Столкновение соответствует Большому Сжатию, за которым следует Большой взрыв. Вещество и излучение, окружающие нас сегодня, – это квантовые флуктуации, существовавшие до образования бран. Через несколько миллиардов лет Вселенная достигла своего современного состояния и начнет сжиматься еще через несколько миллиардов лет. Темная энергия соответствует силе между бранами, что позволяет решить проблемы, такие как плоскостность и существование монополей, возникавшие в предыдущих теориях. Циклы могут простираться бесконечно в прошлое и будущее, а аттрактор обеспечивает полную историю Вселенной. Это решает проблему более ранней модели Вселенной, предсказывавшей тепловую смерть из-за накопления энтропии. Новая модель избегает этого благодаря чистому расширению после каждого цикла, предотвращающему накопление энтропии. Однако в этой модели все еще есть некоторые недостатки. Основа теории – браны – до сих пор не полностью понята теоретиками струн, а также существует вероятность того, что масштаб-инвариантный спектр может быть разрушен в результате Большого Сжатия. В то время как космическая инфляция и общая природа сил, или столкновение бран в экпиротической модели, необходимых для создания вакуумных флуктуаций, известны, отсутствует кандидат из физики частиц, объясняющий эти процессы.

Модель конформной циклической космологии (CCC)

Физик Роджер Пенроуз разработал теорию, основанную на общей теории относительности, под названием конформная циклическая космология, в которой Вселенная расширяется до тех пор, пока вся материя не распадется и не превратится в свет. Поскольку ничто во Вселенной не будет связано с каким-либо масштабом времени или расстояния, она становится идентичной Большому взрыву (что приводит к типу Большого сжатия, который становится следующим Большим взрывом, таким образом, начиная следующий цикл). Пенроуз и Гурзадян предположили, что следы конформной циклической космологии потенциально могут быть обнаружены в космическом микроволновом фоне; по состоянию на 2020 год они не были зарегистрированы. Существуют также определенные недостатки этой теории: скептики указывают на то, что для сопоставления бесконечно большой Вселенной с бесконечно малой Вселенной все частицы должны терять массу по мере старения Вселенной. Однако Пенроуз представил доказательства КЦК в виде колец с однородной температурой в космическом микроволновом фоне, идея заключается в том, что эти кольца являются сигнатурой в нашей эоне – эоне, представляющем собой текущий цикл Вселенной, в котором мы находимся – и были вызваны сферическими гравитационными волнами, возникшими в результате столкновения черных дыр из предыдущего эона.

Квантовая космология с петлей (LQC)

Квантовая космология петли – это модель Вселенной, которая предполагает существование "квантового моста" между расширяющейся и сжимающейся Вселенными. В этой модели квантовая геометрия порождает совершенно новую силу, пренебрежимо малую при низкой кривизне пространства-времени, но очень быстро возрастающую в планковском режиме, подавляющую классическую гравитацию и разрешающую сингулярности общей теории относительности. После разрешения сингулярностей концептуальная парадигма космологии претерпевает изменения, вынуждая пересмотреть стандартные вопросы – такие как проблема горизонта – с новой перспективы. Согласно этой модели, благодаря квантовой геометрии, Большой взрыв заменяется Большим отскоком без каких-либо дополнительных предположений или тонкой настройки параметров. Метод эффективной динамики широко используется в квантовой космологии петли для описания физики в планковском масштабе, а также для изучения начального этапа существования Вселенной. Численные симуляции подтвердили состоятельность эффективной динамики, которая обеспечивает хорошее приближение к полной квантовой динамике петли. Показано, что если состояния характеризуются очень большими квантовыми флуктуациями на поздних стадиях, то они не приводят к образованию макроскопических Вселенных, описываемых общей теорией относительности, однако эффективная динамика отклоняется от квантовой динамики вблизи отскока и в более поздней Вселенной. В этом случае эффективная динамика будет переоценивать плотность в момент отскока, но при этом она все равно будет очень точно воспроизводить качественные характеристики процесса.

Эмпирические сценарии из физических теорий

Если форма квинтэссенции, обусловленная скалярным полем, эволюционирующим вдоль монотонно убывающего потенциала, проходящего достаточно глубоко в отрицательную область, является (основным) объяснением темной энергии, и текущие данные (в частности, наблюдательные ограничения на темную энергию) также верны, то ускоряющееся расширение Вселенной сменится сжатием в ближайшем космическом будущем – в течение следующих 100 миллионов лет. Согласно исследованию Андрея Ижаса и Пола Штайнхардта, этот сценарий "естественным образом согласуется с циклическими космологиями и недавними предположениями о квантовой гравитации". В исследовании предполагается, что медленная фаза сжатия "будет длиться порядка 1 миллиарда лет, прежде чем Вселенная перейдет в новую фазу расширения".

Эффекты

Пол Дэвис рассмотрел сценарий, в котором Большое сжатие произойдет примерно через 100 миллиардов лет от настоящего времени. В его модели, сжимающаяся Вселенная будет эволюционировать примерно как расширяющаяся фаза в обратном порядке. Сначала будут сливаться скопления галактик, а затем и сами галактики, и температура космического микроволнового фона (КМФ) начнет повышаться по мере того, как фотоны КМФ будут испытывать синее смещение. Звезды в конечном итоге сблизятся настолько, что начнут сталкиваться друг с другом. Как только температура КМФ превысит температуру звезд типа M (примерно за 500 000 лет до Большого сжатия в модели Дэвиса), они больше не смогут рассеивать тепло и будут "вариться", пока не испарятся; этот процесс будет повторяться для все более горячих звезд, пока звезды типа O не испарятся примерно за 100 000 лет до Большого сжатия. В последние минуты температура Вселенной станет настолько высокой, что атомы и атомные ядра начнут распадаться и поглощаться уже формирующимися черными дырами. В момент Большого сжатия вся материя во Вселенной будет сжата в бесконечно горячую, бесконечно плотную сингулярность, подобную Большому взрыву. Большое сжатие может быть за которым последует новый Большой взрыв, создающий новую Вселенную. Этот термин иногда используется в популярной литературе, например (как "gnaB giB") в книге "Физика для чайников" и в публикации, посвященной обсуждению Большого сжатия.