Ще се разширява ли Вселената безкрайно?

Вселената е огромна и ще става все по-огромна. Идеята за Големия Колапс, при който всичко ще се свие в една точка, т.е. ентропичната смърт на Вселената, със сигурност звучи доста романтично. Но подобни идеи са по-скоро плод на артистичното въображение, отколкото имат нещо общо с чистата наука, както с лекота е обяснено в това видео на PBS Space Time.

Първата стъпка в разбирането на бъдещето на Вселената е да си припомним нютоновата физика, уравненията на Айнщайн, както и работата на съветския физик Александър Фридман. Тогава ни става ясно, че кинетичната енергия, която вече е във Вселената, просто е повече от потенциалната енергия. Колкото и енергия да съществува, тя вече е създадена, отдалечавайки телата в космоса едно от друго. Просто няма достатъчно енергия, която да върне нещата, където са си били.

Малко след като Алберт Айнщайн публикува Общата си теория на относителността, много физици започват да я изучават, анализират и разширяват. Един от тях е и брилянтният руски физик и космолог Александър Фридман, който прилага идеите на Айнщайн към цялата Вселена и създава теорията за разширяващата се Вселена - да, самото пространство в космоса се разширява. След по-скорошни наблюдения учените достигат и до още един, доста по-странен факт - бъдещето разширяване на Вселената ще зависи от едно от най-мистериозните неща, които сме срещали някога, тъмната енергия. 

Но какво представлява тя? Нека започнем, като се опитаме да обясним Вселената, но без съществуването на тъмната енергия. В основата на Общата теория на относителността стоят 10-те уравнения на Айнщайн за полето, които описват т.нар. кривина на пространство-времето. Тя се създава от тензор на енергията и импулса във пространство-времето, или как напрегността на енергията предизвиква изкривяване на пространството/времето. Звучи доста сложно, а? Теоретичният физик Джон Арчибалд Уийлър обяснява идеята с по-прости думи - пространство-времето казва на материята как да се движи, а материята казва на пространство-времето как да се изкриви.

Нека обаче се върнем към нютоновата физика и погледнем на гравитацията като на сила, а не като на кривина в пространство-времето. Ако хвърлим една ябълка нагоре, тя ще падне към нас и колкото по-бързо я хвърляме, толкова по-нагоре ще излети, преди да започне да пада. Но ако я хвърлим със скорост 11 км. в секунда (това е втора космическа скорост, или необходимата скорост на един обект, за да преодолее гравитационното поле на Земята), тя ще излети много бързо. Всъщност, когато ябълката спре да се движи, тя вече ще е толкова отдалечена от Земята, че гравитацията няма да ѝ действа.

Но какво става с енергията ѝ? Когато лети към небето, кинетичната ѝ енергия намалява постоянно и се превръща в потенциална енергия - няма как да има загуба на енергия. И така минималната кинетична енергия ни показва каква е нужната скорост, за да се преодолее гравитационното поле на Земята. Не само планетите обаче имат гравитация, нали? По същия начин, ако игнорираме тъмната енергия, ще открием, че има подобна скорост за преодоляване и на гравитацията на самата Вселена - това е скоростта не на една ябълка, разбира се, а на цели галактики. Но как можем да я изчислим? 

Галактиката Андромеда е най-близката спирална галактика до Млечния път / nasa.gov

Като решим 10-те уравнения на Айнщайн за полето, и то за цялата Вселена. Двете уравнения на Фридман обаче са малко по-опростени и ни показват скоростта на галактиките, както и тяхната кинетична енергия, или по-скоро кинетичната енергия на самото разширяване на Вселената. В тях е включена и материята в космоса, гъстотата на телата в пространството, както и потенциала на Вселената да забави скоростта си и да се свие в една точка заради силата на гравитацията.

Ако кинетичната енергия на разширяването и потенциалната енергия на свиването на Вселената са еднакви, тя ще се разширява до един момент, след което ще спре. Ако енергията на разширяването е по-голяма от тази на свиването, галактиките ще се отдалечават една от друга постоянно, разширяването няма да спре никога и гравитацията просто ще спре да действа. Ако обаче енергията на свиването е по-голяма, в един момент, вероятно след милиарди години, цялата материя на Вселената ще се събере в една точка, а именно Големия колапс. 

И така, какво ще се случи? Ще продължи ли да се разширява Вселената завинаги или ще се свие?

Учените знаят скоростта, с която се разширява всичко - измерват я с помощта на Закона на Хъбъл. Още през 1929 г. наблюдавайки червено отместване в спектрите на наблюдаемите галактики, американският астроном Едуин Хъбъл открива, че галактиките се отдалечават от нас. Константата на Хъбъл, както я наричаме днес, е една от най-важните константи във физиката като цяло, тъй като показва скоростта, с която Вселената се разширява от Големия взрив. А стойността ѝ е около 70 км/сек/Мпс, или километри в секунда за мегапарсек. 

Оказва се всъщност, че енергията на разширяване е по-голяма от потенциалната енергия на свиване. Следователно, Вселената наистина ще продължи да се разширява винаги.

И тук идва въпросът за тъмната енергия. Всъщност уравненията на Фридман съдържат и още нещо - те ни показват и формата на Вселената. Смята се, че именно формата на Вселената ще определи съдбата ѝ. А формата зависи от плътността ѝ, която учените все още изчисляват. Ако във Вселената няма достатъчно маса, тя ще продължи да се разширява до безкрай, защото няма да може да противодейства на тъмната енергия. Според всички уравнения излиза, че ни липсва нещо - тъмната енергия. Нарича се така защото е невидима за нас, а и най-вече защото физичната ѝ природа засега поне е пълна мистерия. 

Това, което знаем със сигурност за нея, е че ускорява разширяването на Вселената, като създава особено „антипривличане“, както го наричат някои учени. В крайна сметка, със или без тъмна енергия, няма как да спрем разширяването на Вселената. След стотици милиарди години всички галактики ще са толкова отдалечени от нас, че на небето няма да блещука и една звезда, а ще цари пълен мрак. Материята ще бъде толкова разредена, че космосът ще е абсолютно празен. 

Хубавото е, че дотогава Земята няма да съществува. Ако нещо е останало от нея, то ще бъде погълнато от разширилото се Слънце, което ще се превърне в бяло джудже, а в последствие според някои теории, и в черно такова.

Така че, да, Вселената ще продължи да се разширява - точно като талията ви.