Какъв ще е краят на Вселената? Това е предсказание на общата теория на относителността (ОТО), което не може да потвърдим директно преди самия Край.
Но самият факт, че ОТО на Айнщайн ни позволява да разберем отговора е невероятен. Да видим дали това дори е възможно. [МУЗИКА]
ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЕТО Скоро след като Алберт Айнщайн публикува общата теория на относителността трудолюбивите физици и най-вече един блестящ руснак на име Александър Фридман, приложиха новата теория
върху цялата Вселена. Заедно с наблюденията на червеното отместване на галактиките това показа, че тъканта на самото пространство се разширява. Последните астрономически наблюдения показаха нещо още по-странно –
бъдещото разширяване на Вселената ще бъде доминирано от мистериозна сила, която физиците нарекоха „тъмна енергия“. За да разберем наистина силите, които определят съдбата на Вселената, и по-специално – на тъмната енергия,
ще трябва да нагазим дълбоко. Ще трябва да надзърнем в математиката на ОТО. Повярвайте ми, струва си, заради страхотните резултати, които ще достигнем. Ще почнем днешния епизод
с описанието на Вселена без тъмна енергия. Защото, все пак – прохождаме. А и резултатът за съдбата на Вселената ще бъде верен поне в едно важно отношение.
В сърцето на ОТО са уравненията на Айнщайн за полето, които изглеждат така: „Уравнения“ в множествено число.
Тези G и T представляват неща, които наричаме „тензори“. Многокомпонентни, многомерни величини. G е тензорът на Айнщайн. Той определя формата, кривината на пространство-времето.
Т е тензорът на енергията-импулса. И описва енергията, напрежението, импулса и въобще – всичкия „материал“ в пространство-времето. И двата тензора имат по 10 независими компонента, и така водят до система от 10
независими уравнения на полето, описващи реакцията на тъканта на Вселената към всичко, което се съдържа в нея. Джон Арчибалд Уийлър казва по-просто: „Пространство-времето казва на материята как да се движи,
а материята казва на пространство-времето как да се изкривява.“ Преди да се захванем с ОТО, нека развием интуицията си, като размишлявамем малко за гравитацията от нютоновата гледна точка – като сила,
а не от айнщайновата – като кривината на пространство-времето. Ако хвърля ябълка във въздуха, гравитацията ще я дръпне обратно надолу. Колкото по-силно я хвърлям, толкова по-високо ще стигне ябълката, преди да падне. Ако я хвърля с 11 км/с, което е втората космическа скорост при земната повърхност,
то щом ябълката спре издигането си, тя ще е достатъчно високо, че привличането на Земята да е почти нула. Втората космическа скорост се извежда директно от нютоновия закон за гравитацията,
който може да се изведе от уравненията на Айнщайн. Стъпката, необходима за извеждането (* вж. бележката в описанието) на втората космическа скорост, е да мислим за енергията. Докато ябълката се издига, кинетична енергия на движението ѝ
се изцежда от гравитационното поле и се превръща в потенциална енергия. Помнете: енергията винаги се запазва. Съществува минимална кинетична енергия, необходима на ябълката, за да се измъкне от засмукващия гравитационен кладенец на Земята
Тази минимална кинетична енергия дава втората космическа скорост. В тази нютонова аналогия – и помнете, игнорирайки тъмната енергия, Вселената също има своя „втора космическа скорост“, която би позволила на галактиките да се измъкнат от взаимното си гравитационно привличане.
Отчитайки количеството материя във Вселената, има скорост на разширяване, която би позволила бъдещия темп на разширяване да намалява и постепенно да стигне нула след безкрайно време.
Как да изчислим втората космическа скорост на цялата Вселена? Решавайки уравненията на Айнщайн за полето по отношение на цялата Вселена, разбира се. Невероятно е, че можем да направим това и то защото в най-големите мащаби от милиарди светлинни години, галактиките и галактическите купове
са разпределени много равномерно в пространството. Като игнорираме гънките, причинени от индивидуалните галактики, получената гладка Вселена ни позволява да редуцираме десетте уравнения на Айнщайн до само две,
т. нар. уравнения на Фридман, изведени от нашия познат Саша. Първото може да се запише така Може да не изглежда просто, но повярвайте ми,
може да се преведе на човешки. Буквата а означава коефициента на разширяването и представя размера на Вселената. Но е по-подходящо да си го представим като
средното разстояние между галактиките. Уравнението на Фридман е за развитието на а във времето, и а с точка отгоре е скоростта на разширение на Вселената. За тези, които знаят математически анализ,
това е производната на а по времето. Да погледнем лявата част на уравнението. Тя показва същия баланс между кинетична и потенциална енергия на гравитацията, който видяхме при издигащата се ябълка.
Всъщност, уравнението на Фридман е уравнение за енергията. Първият член, а-точка върху а на квадрат, е аналогичен на кинетичната енергия на разширяването – колко сила навън има Вселената.
На тази сила се противопоставя ефектът на гравитацията на всичката материя и енергия във Вселената. Това е частта с ро (ρ) – плътността, или колко гъсто Вселената е запълнена с материал. Така вторият член представя способността на Вселената
да се забави сама и е аналогичен на потенциалната енергия на гравитацията. Балансът между двата подобни на енергия израза ни показва съдбата на Вселената. И така, какви са възможните сценарии?
Ако кинетичната енергия на разширяването и потенциалната енергия на колапса са в идеално равновесие, то Вселената би нараснала до гигантски размери, забавяйки разширяването си до нула.
Всъщност, това е разширяване със скорост равна точно на втора космическа. В този случай лявата страна е нула. Ако лявата част е дори малко по-голяма от нула,
това би означавало малко допълнителна сила. Така би оставала малко енергия на разширяването и след като гравитацията е разредена до нищо, и Вселената би се разширявала вечно, без да спре.
И ако лявата страна е отрицателна, то никога разширяването няма да е с достатъчна скорост за достигането на такива огромни рамери. В някакъв момент Вселената би почнала да се свива
и бихме видели много от тези далечни галактики доста отблизо, докато Вселената се засилва към Големия срив. И какъв е отговорът?
Вселената вечно ли ще се разширява или ще колапсира? Знаем скоростта на разширяването. Измерили сме я по червеното отместване на галактиките, а и по други независими методи.
Текущата скорост на разширяването се нарича константа на Хъбъл и е около 70 километра в секунда на мегапарсек (3,261 млн. св. г.). За дълго време, до края на деветдесетте, се смяташе, че отговорът дали Вселената
ще колапсира обратно, е в измерването на ро – плътността на Вселената. Астрономите работиха години наред, за да претеглят галактиките в огромни области на Вселената,
включвайки и тъмната материя. Но плътността на Вселената се оказа прекалено ниска – само около една четвърт от това, което е необходимо за спиране на разширяването.
Плътността, колапсиращата част, е по-малка от разширяващата част. Лявата страна на уравнението на Фридман е положителна. Няма друг вариант – Вселената ще се разширява вечно
От една страна сме късметлии, че живеем в епоха, през която все още можем да видим далечните галактики. С течение на милиарди години те биха се изплъзвали зад космическия ни хоризонт, оставяйки само тъмнина
отвъд околността на Млечния път. Чакайте малко, така и не стигнахме до дясната страна на уравнението Знаем, че и тя трябва де е положителна, защото, все пак има знак за равенство.
Но дясната страна описва нещо съвсем различно от лявата. Тя описва формата на Вселената – пространствената ѝ кривина. Съгласно първото уравнение на Фридман,
съдбата на Вселената, както се определя от разширяването и плътността ѝ, трябва да е обвързана с формата ѝ. Все пак, материята казва на пространство-времето как да се закривява. В следващия епизод ще видим, че има
изненадващо несъответствие между лявата и дясната страна на първото уравнение на Фридман, което ни казва, че пропускаме нещо съществено. Това нещо е тъмната енергия.
Ще ви покажа защо уравненията на Фридман изискват съществуването на тъмна енергия във Вселената, и как тези уравнения ни показват истинската ѝ природа. Не се надявайте много,
тъмната енергия няма да ни избави от безкрайното разширяване. Точно обратното, тъмната енергия ускорява разширяването. И за да разберем как, ще трябва да отидем
далеч отвъд нютоновата аналогия. Това ще разтърси интуицията ни за запазването на енергията и за гравитацията в най-големите мащаби на пространство-времето.
Преди да минем към коментарите, имаме нещо за разгласяване. Време е за webby (април, 2016) PBS Digital Studios сме номинирани за най-добър научен и образователен видео канал.
Би било от помощ, ако отидете там и гласувате за нас. Линкът е в описанието. ОК. Миналата седмица говорихме за атомния синтез.
Да видим, како ни споделихте. Enrique Rigitano посочва, че изглежда има последователност на произведените елементи, когато масивните звезди умират,
и пита как са произведени елементите, вън от тази последователност. ОК, много хубав въпрос. Всъщност има много различни реакции на синтез, които се случват в ядрата на такива масивни звезди.
Някои от най-честите са или добавяне на хелий, улавяне на алфа частица, или загуба на хелий след друга реакция на синтез. Така, ако почнете от елемент с четен атомен номер,
като въглерода с неговите шест протона, бихте получили много по-често срещани елементи с четен номер, отколкото с нечетен. От десетте най-изобилни елементи във Вселената,
само два имат нечетен брой протони: водород и азот. Все пак има много различни начини за получаването на елементи извън тази последователност с реакции на синтез, които просто не са толкова продуктивни.
Например флуорът е един от най-объркващите елементи, тъй като не се произвежда ефективно с която и да е известна реакция в масивни звезди. Но по-нови проучвания показаха, че може
да се образува в по-леки звезди, като нашето Слънце, след като навлязат във фазата на червен гигант. Има кратък прозорец, когато е възможно материал в близост до ядрото
да се пренесе конвективно до повърхността, и в последствие да бъде отнесен навън заедно с горните слоеве в планетарна мъглявина. Доста от вас се интересуваха
откъде са се взели елементите в телата ни и къде са останките на суперновите, произвели тези елементи. И така, дискът на Млечния път се завърта около оста си за около 230 млн. години.
Но не всички звезди се движат с една и съща скорост. Орбитите им не са идеални кръгове и звездите се носят навътре и навън в спиралните ръкави както и под и над галактическата равнина.
Слънцето е обиколило Млечния път около 18 пъти, откакто се е образувало. И към този момент то е изминало много дълъг път от гигантския облак от прах и газове, от които се е образувало. Освен това, този облак е изчезнал отдавна.
Кондензирал се е в съседните звезди на Слънцето, които се е разпръснали из Млечния път. Облакът е бил отнесен и от избухванията на суперновите на най-тежките звезди, които е произвел.
Елементите на Земята, и в частност на вашето тяло, може да са отчасти от тези супернови, но повечето са от предишни поколения звезди, обогатили този облак преди той да почне да образува звезди.
През историята е имало много спекулации за съдбата на Вселената. Много учени са имали теории са сочели, че тя ще имлодира от гравитацията и разширяването ѝ ще се обърне и ще стане „Голямото Свиване“. Въпреки това с помощта на математическите уравнения на Нютон, Айнщайн и Алесандър Фридман, ние сега имаме отговор.
Как ще свърши вселената? Това предсказание на теорията на относителността е нещо, което може би никога няма да можем да потвърдим… до самият край.
PBS Space Time разглеждат темата за края на всичко… и е доста забавно.
Това видео е първа част от поредицата за Тъмна Енергия на PBS Space Time
Част 1/4: Ще се разширява ли вселената завинаги? (тази статия)
Част 2/4: Тъмната енегия изчезна ли?!
Част 3/4: Защо Вселената се нуждае от Тъмна Енергия?
Част 4/4: Какво наистина прави Тъмната Енергия?
Приятно гледане!
