Del:
10 Bizarre virkeligheder af livet i slutningen af universet
Vores univers kommer til at dø uden tvivl om det. En af de mest accepterede modeller af universets ende er evig ekspansion og eventuel død ved entropi. Da universet fortsætter med at vokse, øges entropien, indtil alt vi ved er væk. Men hvordan ser livet ud som slutningen nærmer sig? Det spørgsmål har givet anledning til fascinerende ideer om universet og livet selv.
10 Ingen stjerner synlige fra jorden
I 150 milliarder år vil nattehimlen fra Jorden se meget anderledes ud. Når universet løber til sin varmedød, vil rummet selv begynde at ekspandere hurtigere end lysets hastighed. Mange af os er klar over tanken om, at lyshastighed er en hård grænse for et objekts hastighed i universet. Men det gælder kun for genstande, der er i rummet, ikke selve rummet i rummet. Dette er et svært begreb, der omgiver vores sind rundt, men rummet i rumtiden vokser allerede hurtigere end lys. Og i den fjerne fremtid vil det have mærkelige implikationer.
Da rummet selv ekspanderer hurtigere end lys, eksisterer der en kosmologisk horisont. Ethvert objekt forbi horisonten ville kræve, at vi har evnen til at observere og registrere ved at detektere partikler, der rejser hurtigere end lys. Men ingen sådan partikel eksisterer. Når objekter går ud over vores kosmologiske horisont, er de utilgængelige for os. Ethvert forsøg på at kontakte eller interagere med fjerne galakser forbi horisonten kræver, at vi har teknologi, der er i stand til at rejse hurtigere end udvidelsen af rummet selv. Lige nu er kun et par objekter uden for vores kosmologiske horisont. Men da mørk energi fremskynder udvidelsen, vil alt falde ud over denne observationsgrænse.
Hvad betyder det for Jorden? Forestil dig at kigge op på nattehimlen i 150 milliarder år. De eneste ting, der er synlige, vil være et par spredte stjerner, der ligger inden for den kosmologiske horisont. Til sidst vil selv de gå væk. Nattehimmelen vil gå helt tom. En astronom i fremtiden vil ikke have noget bevis på, at der er noget andet objekt i universet. Alle stjerner og galakser vi ser nu vil være helt ude af teleskop rækkevidde. For alt vi kunne se, var vores solsystem det eneste der var tilbage i vores univers.
9 Vores Sol bliver en Sort Dværg
Lige nu har vores univers mange forskellige slags stjerner. Røde dværge-kølige stjerner, der afgiver rødt lys - er blandt de mest almindelige af disse. Semantisk relaterede hvide dværge fylder også universet. Disse er stjernernes rester af døde stjerner, lavet af degenereret materiale, der holdes sammen af kvanteffekter. I øjeblikket betragter astronomer hvide dværge for at have i det væsentlige uendelige livstider. Universet er bare ikke gammel nok til at de er døde. Men givet nok tid, selv de vil dø og blive eksotiske stjerner navngivet sorte dværge.
Vores Sol er på den vej. I den fjerne fremtid vil vores Sun udstøde dets ydre lag og blive til en hvid dværgstjerne, der opholder sig i denne stat i milliarder af år. Som universet vinder ned, vil den hvide dværg, der var vores Sol, begynde at køle af. Efter 10 år vil det køle ned, indtil dets temperatur er lig med baggrunden for mikrobølgestråling, kun et par grader Kelvin over absolut nul.
Når det sker, bliver det en sort dværg. Da denne type stjerne er så kold, er den usynlig for det menneskelige øje. Således vil enhver, der forsøger at finde den Sol, der plejede at give os livet, finde det umuligt at se med optiske systemer. I stedet skal de stole på at opdage dens gravitationseffekter. De fleste stjerner, vi ser i nattehimlen, bliver sorte dværge, men ved at vores varme Sol vil forvandle os til en mørk og kold stjerneaflejring, er lidt mere personlig.
8 underlige stjerner
Når vores søn bliver en sort dværg, vil stjernens evolution være forbi. Ingen nye stjerner vil danne sig. I stedet vil universet fylde med kolde rester af stjernerne. Det vil gøre det muligt for universet at begynde at udvikle nogle ulige stjerner, der er helt forskellige fra det, vi ved.
Den ene er den frosne stjerne. Som universernes stjerner brænder gennem deres atombrændstof, vil de øge deres metallicitet. I astronomi er dette målet for elementer i en stjerne, der er tungere end helium-dybest set alle elementer fra lithium på. Når stjernernes metallicitet stiger, bliver de koldere, fordi tungere elementer giver mindre energi fra fusion. Til sidst bliver stjernerne så kolde, at de vil have en temperatur på 273 Kelvin, frysepunktet for vand.
At springe frem til den fjerne verden fremover, vil der opstå en jævn skæve stjerne. Ca. 10 år i fremtiden vil entropi have haft sin vej, og universet vil være i det væsentlige død. I denne kolde tid vil kvanteffekter regere universet.
Kvantum tunneling vil så begynde at tillade lette elementer at smelte ind i en ustabil form af jern. Dette vil så falde ind i en mere stabil isotop, og giver svage mængder energi. Disse såkaldte jernstjerner vil være den eneste form for stjerne der er mulig i den tid. Men de forekommer kun i modeller, hvor astronomer ikke tror at protoner vil forfalde, så de er ikke en mainstream idé.
7 Alle Nucleons Decay
Hurtigt frem fra 10 år efter Big Bang til 10 år. Hvis menneskeheden ikke er død, vil vi bestemt ikke overleve denne æra. Som nævnt ovenfor argumenterer astronomer konstant for, om protonforfald vil forekomme i universets ende. Til vores formål følger vi denne model.
Nucleons er navnet givet til partiklerne-protoner og neutroner-inde i en atomkerne. Fri neutroner er kendt for at forfalde med en halveringstid på ca. 10 minutter. Men protoner er utroligt stabile. Ingen har observeret bevis for, at de forfalder. Det vil ændre sig i slutningen af universet.
Fysikere har foreslået, at en proton har en halveringstid på 10 år. Vi har ikke observeret dem forfaldne simpelthen fordi universet ikke er gammelt nok. Indtastning af Degenerate Era (10 år til 10), vil protoner endelig begynde at forfalde til positrons og pioner. Ved udgangen af Degenerate Era vil alle protoner og neutroner i universet være væk.
Dette har tydelige konsekvenser for livet i universet. Forudsat at menneskeheden har overlevet solen, der skifter og har migreret til flere livsfremmende dele af universet, er dette det punkt, hvor fysikkens love dikterer menneskehedens død. Vores kroppe og alle de interstellære genstande er lavet af nukleoner. Når de forfalder, vil alt liv som vi kender det ende, fordi de meget atomer i vores krop ikke kan eksistere. Livet kan ikke overleve forbi dette punkt, og universet vil springe ind i æra med sorte huller.
6 Black Holes dominere universet
Når nukleoner er væk, vil sorte huller endelig dominere universet fra 10 år efter Big Bang til 10 år. På dette tidspunkt taler vi om gange så længe, at det er umuligt for vores sind at ombryde dem. Men i en længere periode end universet har eksisteret hidtil, vil de eneste strukturer at tale om være sorte huller.
Med nukleoner væk, vil de vigtigste subatomære partikler være leptoner som elektroner og positroner. Det her er hvad der brænder de sorte huller. Når de forbruger det resterende materiale i universet, vil sorte huller udstråle partikler alene, som vil genopfylde universet med fotoner og hypotetiske gravitoner. Men som Steven Hawking viste sig, vil endda sorte huller ende.
Ifølge Hawking fordampes sorte huller på grund af deres stråling. Da de fortsætter med at udstråle, mister de masse i form af energi. Denne proces tager lang tid, hvorfor det virker så fremmed for os. Det tager 10 år for sorte huller at fordampe helt, så denne proces har ikke fundet sted i løbet af vores universums levetid. Men i sidste ende vil selv de sorte huller gå væk. Deres eneste rester vil være en række masseløse partikler og et par spredte leptoner, som vil interagere, da de langsomt begynder at miste deres energi.
5 En ny type atomformularer
Efter vores univers er blevet til nogle få spredte subatomære partikler, ser det ud som om der ikke vil være meget at tale om længere. Men livet kan komme frem i dette mest usandsynlige sted.
I årevis har partikelforskere talt om positronium, en atomlignende binding af en positron og elektron. Disse to partikler har modsatte ladninger af hinanden. (Positronen er antipartikelen af elektronen.) Det betyder, at de vil blive elektromagnetisk tiltrukket, da de forsøger at bevæge sig mod hinanden. Når et par af disse partikler begynder at interagere, kan de udvikle rudimentære kredsløb og opføre sig som de atomer, vi kender.
Da positronium er sjældent, er der ikke en fuld model af positronium "kemi." Men nogle få interessante ting kommer fra disse ulige "atomer." For det første kan de eksistere med ekstremt store baner, der spænder over interstellære afstande. Så længe de to partikler interagerer, kan de danne et par uanset afstande.
Under Black Hole Era vil nogle af disse "atomer" have diametre, der spænder over en afstand, der er større end vores nuværende observerbare univers. Da de er lavet af leptoner, vil positroniumatomer overleve protonaffaldet og vare gennem Black Hole Era. Faktisk vil de sorte huller skabe positroniumatomer gennem stråling. Selv de vil forfalde gives tilstrækkelig tid, med positron-elektronparet spiraler tættere på og tættere på gensidig udslettelse. Men før dette kan universet producere livet på en måde, som vi aldrig har set.
4 Alt sker ekstremt langsomt, inklusiv tanke
Efterhånden som Black Hole Era kommer til en ende, og selv disse stjernernes giganter forsvinder i sorten, vil der kun være et par ting tilbage i vores univers, hovedsageligt diffuse subatomiske partikler og de resterende positroniumatomer. Når dette sker, sker alt i universet ekstremt langsomt, med hver handling, der varer evige. Ifølge nogle teoretiske fysikere, især Freeman Dyson, kan livet genopstå i vores univers i løbet af denne tid.
I betragtning af den enorme mængde tid, kan den organiske udvikling begynde at udvikle sig blandt positronium. De væsener, der opstår, ville være meget ulige hvad vi har set. For eksempel ville de være enorme, der spænder interstellære afstande. Da der ikke vil være meget tilbage i universet, vil de have alt det rum, de kunne ønske sig. Men fordi disse livsformer bliver så store, vil de tænke på satser eksponentielt langsommere end vi gør. Faktisk kan det være at tage trillioner af år at danne enkelt tanker for disse skabninger.
Det virker skørt for os, men da disse skabninger vil eksistere på store tidsskalaer, synes tanke øjeblikkelig for dem. Hvis disse skabninger udviklede sig under universets afvikling, ville der ikke være nogen måde, at de kunne overveje at tænke hurtigere, end du kan tænke dig at tænke hurtigere end du allerede gør. For væsener i slutningen af universet vil "spontan tanke" være på store tidsskalaer, men kun ifølge os. Alle disse skabninger vil tro på, at de tænker øjeblikkeligt. Disse væsener vil eksistere i store mængder tid og se universet vindes ned omkring dem. Alligevel vil de til sidst falde sammen.
3 Ingen mere 'makrofysik'
På dette tidspunkt vil universet nå frem til en næsten maksimal entropi tilstand, hvilket betyder, at det kun vil være et ensartet energifelt og nogle få subatomære partikler. Dette kommer efter Black Hole Era, der vokser dybt ind i tiden over 10 år i fremtiden.På dette tidspunkt vil rummet have udvidet sig så meget, og den mørke energi vil være så magtfuld, at selv sorte huller ikke længere eksisterer, og universet vil ikke længere have massive staveobjekter.
Det er svært at forestille sig et univers som dette. Udvidelsen vil være så udtalt på dette punkt, at stjerner som vi kender dem ikke længere vil danne, fordi de subatomære partikler, der danner stof, vil blive skubbet så langt væk fra hinanden, at de ikke vil kunne interagere uden at rejse hurtigere end lys . Alt der vil eksistere er et par svigtende partikler, der vil flyde rundt om den tomme kosmos, ikke engang i stand til at interagere for at danne positroniumatomer.
Det betyder, at fysik som vi ved det vil være forbi. De eneste fysiske modeller, der vil gælde, vil være kvantemekanik. Kvanteffekter vil forekomme over store interstellære afstande og over store tidsrammer, noget der er helt modsat af den måde, vi ser universet på nu. Til sidst vil universets samlede temperatur falde til absolut nul, hvilket betyder, at der ikke vil være nogen energi, der kan omdanne til arbejde. I nogle modeller vil udvidelsen af rummet stadig accelerere, og i sidste ende rive mellemrummet fra hinanden. På det tidspunkt vil vores univers ophøre med at eksistere.
2 Der kunne være en vej ud
Hidtil har vores rejse til universets ende været en stigende række dystre og deprimerende begivenheder. Men fysikere er intet hvis ikke optimistisk og har foreslået måder for menneskeheden at overleve i slutningen af tiden og endda starte vores univers igen.
Den største mulighed for at undslippe vores maksimale entropiunivers er at bruge sorte huller, før protonaffaldet gør livet umuligt. Sorte huller er stadig store mysterier, og teoretikere som Steven Hawking har foreslået at bruge disse massive genstande for at komme til nye universer.
Moderne teori tyder på, at bobleuniverser hele tiden springer ud af os selv og danner helt nye universer med materie og muligheden for livet. Hawking mener, at sorte huller kan indeholde passagerne til disse nye universer. Der er kun et problem. Når du har passeret grænsen for et sort hul, kan du ikke få det tilbage. Dette er en velkendt ide i fysik. Så hvis menneskeheden besluttede at rejse ind i et sort hul, ville det være en envejsrejse.
For det første skulle de finde et tilstrækkeligt massivt spændende sort hul for at overleve turen gennem arrangementshorisonten. (I modsætning til populær tro er massive sorte huller faktisk mere sikre at rejse igennem.) Derefter vil fremtidige rumrejsende skulle håbe, at turen forlader dem i et stykke, men de kunne aldrig kommunikere med deres venner på den anden side af det sorte hul at fortælle dem, at de gjorde det. Hver tur ville blive et spring af tro.
Men der er en måde at sikre, at et nyt univers venter på os på den anden side. Ifølge Alan Guth ville et nyt babyunivers kun bruge 10 fotoner, 10 elektroner, 10 positroner, 10 neutrinoer, 10 antineutriner, 10 protoner og 10 neutroner til at starte. Det kan virke som en masse, men det giver kun op til et par gram materiale.
Derefter kan fremtidige mennesker producere et falsk vakuum - hvilket er et område af plads, der har potentialet for ekspansion - skabt af et superstrengt gravitationsfelt. I den lange fremtid kunne mennesker erhverve teknologien for at skabe et falsk vakuum og starte deres eget univers. Siden universets indledende inflation sker over en brøkdel af et sekund, vil det nye univers ekspandere næsten øjeblikkeligt og skabe et nyt hjem for menneskeheden at leve i. Et hurtigt hop gennem et ormhul, og vi ville finde et sikkert univers for at fortsætte vores race.
1 Random Quantum Tunneling kan starte det hele igen
Men hvad med universet vi efterlader? Over en stor del af tiden ville det endelig nå maksimal entropi, blive helt ubeboelig. Men selv i dette døde univers er der en chance for livet at genvinde. Forskere i kvantemekanik kender til en kvanteffekt kaldet quantum tunneling. Dette er når en subatomic partikel er i stand til at opnå en energistatus, der ikke er klassisk mulig.
For eksempel i klassisk mekanik kan en bold ikke begynde at rulle op ad bakken spontant. Det er en forbudt energistat. Subatomære partikler har også forbudte energistater i klassisk mekanik, men kvantemekanik gør det hele på hovedet. Nogle gange kan partikler "tunnel" til disse energistater.
Denne proces forekommer allerede i stjerner. Men når den anvendes til universets ende, kommer en ulige mulighed op. Partikler i klassisk statistisk mekanik kan ikke gå fra en højere entropi tilstand til en lavere. Men med kvanttunneling kan de og vil. Fysikere Sean Carroll og Jennifer Chen har foreslået ideen om, at givet tilstrækkelig tid, kan quantum tunneling spontant reducere entropien i det døde univers, hvilket forårsager en ny Big Bang til at forekomme og starte universet igen. Hold ikke vejret for at vente på det. Et spontant entropi fald ville tage 10 år at forekomme.
En anden teori kan give os håb om et nyt univers - denne kommer fra matematik. I 1890 offentliggjorde Henri Poincare sin tilbagevenden sætning, som siger, at i en meget lang tid går alle systemer tilbage til en stat, der ligger meget tæt på deres oprindelige. Dette kan gælde for termodynamik, hvor tilfældige termiske udsving i høj entropi universet får det til at vende tilbage til en indledende tilstand, starter ting igen. Efter tidernes evner kunne vores univers formere sig igen, og fremtidige væsener, der lever i det, havde ingen anelse om, at de kom fra universet, som vi kender.