Stort Crunch

En animation av det förväntade beteendet hos en Big Crunch

The Big Crunch är ett hypotetiskt scenario för universums yttersta öde , där expansionen av universum så småningom vänder och universum kollapsar, vilket slutligen får den kosmiska skalfaktorn att nå noll, en händelse som potentiellt följs av en reformation av universum som börjar med ännu en Big Bang . Det stora flertalet bevis tyder på att denna hypotes inte är korrekt. Istället visar astronomiska observationer att universums expansion accelererar snarare än att bromsas av gravitationen , vilket tyder på att universum är mycket mer sannolikt att sluta i värmedöd .

Teorin går tillbaka till 1922, där den ryske fysikern Alexander Friedmann skapade en uppsättning ekvationer som visar att universums ände beror på dess densitet . Det kan antingen expandera eller dra ihop sig snarare än att förbli stabilt. Med tillräckligt med materia kan gravitationen stoppa universums expansion och så småningom vända den. Denna omsvängning skulle resultera i att universum kollapsade över sig själv, inte alltför olikt ett svart hål .

Utfallet av universum kan ses genom att se vilken kraft som kommer att slå ut den andra; den ena är den explosiva kraften från Big Bang, och den andra är gravitationen . Om gravitationen övervinner Big Bangs kraft, kommer Big Crunch att starta och vända Big Bang. Men om detta inte händer är värmedöd det mest troliga scenariot. Medan astronomer vet att universum expanderar, är de inte riktigt säkra på hur stor expansionskraften faktiskt är.

Slutet på Big Crunch skulle fyllas med strålning från stjärnor och högenergipartiklar ; när detta kondenseras och blåskiftas till högre energi, skulle det vara tillräckligt intensivt för att antända stjärnornas yta innan de kolliderar. I de sista ögonblicken skulle universum vara ett enda stort eldklot med en temperatur av oändlighet, och vid det absoluta slutet skulle tiden eller rummet vara kvar.

Översikt

Big Crunch-scenariot antog att materiens densitet i hela universum är tillräckligt hög för att gravitationsattraktion kommer att övervinna expansionen som började med Big Bang. FLRW -kosmologin kan förutsäga om expansionen så småningom kommer att sluta baserat på den genomsnittliga energitätheten , Hubble-parametern och den kosmologiska konstanten . Om den metriska expansionen upphörde, kommer sammandragningen oundvikligen att följa, accelerera med tiden och avsluta universum i en slags gravitationskollaps , vilket gör universum till ett svart hål.

Experimentella bevis i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet (nämligen observationen av avlägsna supernovor som standardljus ; och den välupplösta kartläggningen av den kosmiska mikrovågsbakgrunden ) ledde till slutsatsen att universums expansion inte bromsas av gravitationen utan är istället accelerera . 2011 års Nobelpris i fysik delades ut till forskare som bidragit till att göra denna upptäckt.

The Big Crunch-teorin leder också in i en annan teori som kallas Big Bounce , en teori där efter det stora kritan förstör universum, gör den ett slags studs, vilket orsakar en ny big bang. Detta kan potentiellt upprepas för alltid i ett fenomen som kallas ett cykliskt universum.

Historia

Richard Bentley, en kyrkoman och en forskare, som förberedelse för en föreläsning om Newtons teorier och förkastandet av ateism , skickade ett brev till Sir Isaac Newton ,

"Om vi ​​är i ett ändligt universum och alla stjärnor attraherar varandra, skulle de inte alla kollapsa till en enda punkt, och om vi är i ett oändligt universum med oändliga stjärnor, skulle oändliga krafter i alla riktningar inte påverka alla dessa stjärnor?"

Denna fråga är känd som Bentleys paradox , en proto-teori om Big Crunch. Även om det nu är känt att stjärnor rör sig och inte är statiska.

Newtons kopia av Principia , boken som fick Richard Bentley att skicka brevet till Newton.

Einsteins kosmologiska konstant

Albert Einstein förespråkade en helt oföränderlig modell av universum. Han samarbetade 1917 med den nederländska astronomen Willem de Sitter för att hjälpa till att visa att den allmänna relativitetsteorin skulle fungera med en statisk modell; Willem visade att hans ekvationer kunde beskriva ett mycket enkelt universum. Eftersom de inte hittade några problem initialt, anpassade forskarna modellen för att beskriva universum. Men de stötte på en annan form av Bentleys paradox.

Den allmänna relativitetsteorin beskrev också universum som rastlös, motsägelsefull information han hittade. Einstein insåg att för att ett statiskt universum skulle existera – vilket observerades vid den tiden – skulle det behövas en antigravitation för att motverka gravitationen som drar ihop universum. Att lägga till en extra kraft som skulle förstöra ekvationerna i relativitetsteorin. Till slut lades den kosmologiska konstanten , namnet på antigravitationskraften, till relativitetsteorin.

Upptäckten av Hubbles lag

Scatterplot som Hubble använde för att hitta Hubble-konstanten.

Edwin Hubble som arbetade i Mount Wilson-observatoriet tog mätningar av galaxernas avstånd och parade ihop dem med Vesto Silpher och Milton Humasons mätningar av rödförskjutningar associerade med dessa galaxer. Han upptäckte en grov proportionalitet mellan ett objekts rödförskjutning och dess avstånd. Hubble ritade en trendlinje från 46 galaxer, studerade och erhöll Hubble-konstanten , som han drog slutsatsen till 500 km/s/Mpc, nästan sju gånger än vad den anses vara idag, men ger fortfarande beviset att universum expanderade och var inte ett statiskt objekt.

Övergivande av den kosmologiska konstanten

Efter att ha publicerat Hubbles upptäckt övergav Einstein helt den kosmologiska konstanten. I sin enklaste form genererade ekvationerna en modell av universum som expanderade eller krympte. Motsäger det som observerades, därav skapandet av den kosmologiska konstanten. Efter bekräftelsen på att universum expanderade kallade Einstein sitt antagande om att universum var statiskt för sitt "största misstag". 1931 besökte Einstein Hubble för att tacka honom för att han "utgav grunden för modern kosmologi".

Efter denna upptäckt släpptes Einsteins och Newtons modeller av ett sammandragande, men ändå statiskt universum, för modellens expanderande universumsmodell.

Cykliska universum

En teori som kallas " Big Bounce " föreslår att universum skulle kunna kollapsa till det tillstånd där det började och sedan initiera en ny Big Bang, så på detta sätt skulle universum pågå för evigt men skulle gå igenom faser av expansion (Big Bang) och sammandragning ( Big Crunch). Detta betyder att det kan finnas ett universum i ett tillstånd av konstant Big Bangs och Big Crunches.

Cykliska universum övervägdes kort av Albert Einstein 1931. Han teoretiserade att det fanns ett universum före Big Bang, som slutade i en Big Crunch, som kunde skapa en Big Bang som en reaktion. Vårt universum kan vara i en cykel av expansion och sammandragning, en cykel som möjligen pågår i det oändliga.

Ekpyrotisk modell

Foto av två branar, grunden för den ekpyrotiska modellen.

Det finns mer moderna teorier om cykliska universum också. Den Ekpyrotiska teorin , bildad av Paul Steinhardt , säger att Big Bang kunde ha orsakats av två parallella orbifoldplan , kallade branes som kolliderar i ett högre dimensionellt utrymme. Det fyrdimensionella universum ligger på en av brorna. Kollisionen motsvarar Big Crunch, sedan en Big Bang. Materien och strålningen runt omkring oss idag är kvantfluktuationer från före branen. Efter flera miljarder år har universum nått sitt moderna tillstånd, och det kommer att börja dra ihop sig om ytterligare flera miljarder år. Mörk energi motsvarar kraften mellan branerna, vilket tillåter problem, som att planheten och monopolen i de tidigare teorierna fixas. Cyklerna kan också gå oändligt in i det förflutna och framtiden, och en attraktion möjliggör en fullständig historia av universum.

Detta löser problemet med att den tidigare modellen av universum går in i värmedöd från entropiuppbyggnad . Den nya modellen undviker detta med en nettoexpansion efter varje cykel, vilket stoppar uppbyggnaden av entropi. Det finns dock fortfarande några brister i denna modell. Grunden för teorin, branes, är fortfarande inte helt förstått av strängteoretiker, och möjligheten att det skalinvarianta spektrumet skulle kunna förstöras från det stora kritan. Medan kosmisk inflation och den allmänna karaktären hos de krafter - eller kollisionen av branes i den ekpyrotiska modellen - som krävs för att göra vakuumfluktuationer är känd. En kandidat från partikelfysik saknas.

Conformal Cyclic Cosmology (CCC) modell

En karta över CMB som visar olika hot spots runt om i universum.

Fysikern Roger Penrose förde fram en allmän relativitetsteori som kallas den konforma cykliska kosmologin där universum expanderar tills all materia förfaller och förvandlas till ljus. Eftersom ingenting i universum skulle ha någon tids- eller avståndsskala associerad med sig, blir den identisk med Big Bang (vilket resulterar i en typ av Big Crunch som blir nästa Big Bang, och därmed startar nästa cykel). Penrose och Gurzadyan föreslog att signaturer för konform cyklisk kosmologi potentiellt kunde hittas i den kosmiska mikrovågsbakgrunden ; från och med 2020 har dessa inte upptäckts.

Det finns också några brister med denna teori också, skeptiker påpekade att för att matcha ett oändligt stort universum med ett oändligt litet universum, måste alla partiklar förlora sin massa när universum blir gammalt. Men Penrose presenterade bevis på CCC i form av ringar som hade enhetlig temperatur i CMB, tanken var att dessa ringar skulle vara signaturen i vår eon - En eon är den nuvarande cykeln av universum som vi befinner oss i - var orsakade av sfäriska gravitationsvågor orsakade av kolliderande svarta hål från vår tidigare eon.

Loop quantum kosmologi (LQC)

Slingkvantkosmologi är en modell av universum som föreslår en "kvantbrygga" mellan expanderande och sammandragande universum. I denna modell skapar kvantgeometrin en helt ny kraft som är försumbar vid låg rum-tid-krökning. Men stiger mycket snabbt i Planck-regimen , överväldigande klassisk gravitation som löser singulariteter av allmän relativitet . När singulariteterna väl är lösta förändras kosmologins konceptuella paradigm, vilket tvingar en att se över standardfrågorna – såsom horisontproblemet – från ett nytt perspektiv.

På grund av kvantgeometrin ersätts Big Bang av Big Bounce utan några antaganden eller någon finjustering. Ett viktigt inslag i teorin är rum-tidsbeskrivningen av den underliggande kvantutvecklingen. Tillvägagångssättet för effektiv dynamik har använts flitigt i loop-kvantkosmologi för att beskriva fysiken på Planck-skalan och även början av universum. Numeriska simuleringar har bekräftat giltigheten av effektiv dynamik, vilket ger en bra approximation av kvantdynamiken i full loop. Det har visats när tillstånd har mycket stora kvantfluktuationer vid sena tidpunkter, vilket betyder att de inte leder till makroskopiska universum som beskrivs av allmän relativitet, men den effektiva dynamiken avviker från kvantdynamiken nära studs och det senare universum. I det här fallet kommer den effektiva dynamiken att överskatta tätheten vid studs, men den kommer fortfarande att fånga kvalitativa aspekter extremt bra.

Empiriska scenarier från fysikaliska teorier

Om en form av kvintessens som drivs av ett skalärt fält som utvecklas nedåt en monotont minskande potential som passerar tillräckligt under noll är (huvud)förklaringen av mörk energi och aktuella data (särskilt observationsbegränsningar för mörk energi) också är sann, den accelererande expansionen av universum skulle invertera till sammandragning inom den kosmiska närmaste framtiden för de kommande 100 miljoner åren. Enligt en studie av Andrei-Ijjas-Steinhardt passar scenariot "naturligt med cykliska kosmologier och nya gissningar om kvantgravitation ". Studien tyder på att den långsamma sammandragningsfasen skulle "vara under en period av storleksordningen 1 miljard år innan universum övergår till en ny fas av expansion".

Effekter

Paul Davies övervägde ett scenario där Big Crunch inträffar cirka 100 miljarder år från nuet. I hans modell skulle det sammandragande universum utvecklas ungefär som den expanderande fasen i omvänd riktning. Först galaxhopar , och sedan galaxer, smälta samman, och temperaturen på den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) skulle börja stiga när CMB-fotoner blir blåskiftade . Stjärnor skulle så småningom bli så nära varandra att de börjar kollidera med varandra. När CMB väl blir hetare än stjärnor av M-typ (cirka 500 000 år före Big Crunch i Davies modell), skulle de inte längre kunna stråla bort sin värme och skulle laga sig själva tills de avdunstar; detta fortsätter för successivt hetare stjärnor tills stjärnor av O-typ kokar bort cirka 100 000 år före Big Crunch. Under de sista minuterna skulle universums temperatur vara så hög att atomer och atomkärnor skulle brytas upp och sugas upp i redan sammansmälta svarta hål . Vid tiden för Big Crunch, skulle all materia i universum krossas till en oändligt het, oändligt tät singularitet liknande Big Bang . The Big Crunch kan följas av ännu en Big Bang, vilket skapar ett nytt universum.

Se även

• Tidens pil – Begrepp i fysiken att tiden är asymmetrisk (flyter åt ena sidan)
• Bentleys paradox – Kosmologisk paradox som involverar gravitation
• Universums kronologi – universums historia och framtid
• Cyklisk modell – Kosmologiska modeller som involverar obestämda, självuppehållande cykler
• Entropi (tidpil) – endast kvantitet inom de fysiska vetenskaperna som kräver en viss tidsriktning Sidor som visar wikidata-beskrivningar som reserv
• Evig återkomst – Konceptet att universum och all existens är ständigt återkommande
• Tidslinje för det tidiga universum – Tidslinje för universums händelser sedan Big Bang för 13,8 miljarder år sedan
• Tidslinje för den avlägsna framtiden – Vetenskapliga prognoser om den avlägsna framtiden