Când se va sfârşi universul?

Robert Frost a remarcat faptul că: „Unii spun că lumea se va termina în foc / alţii spun că în gheaţă". Norocul nostru! În prezent noi suntem destul de siguri că răspunsul este în gheaţă. Dar cât timp mai avem până la sfârşitul timpului şi cum va arata Universul atunci? Într-un articol anterior am spus că dacă teoria Big Rip este corectă atunci universul va suferi „Marea ruptură” peste 80 miliarde de ani.

Cu toate acestea, mi-am exprimat neîncrederea că Big Rip este o teorie corectă, deoarece cred că w=-1. Şi atunci, când se va sfârşi Universul?

Recent, cu doar câteva decenii în urmă, se părea că există o posibilitate reală ca universul sa colapseze gravitaţional, moment în care, probabil, ar fi dispărut toate eventualele supercivilizaţii. Dacă ar fi aşa, atunci ar mai rămâne doar câteva zeci de miliarde de ani până atunci. Marea întrebare este dacă există suficient de multă materie pentru a „închide" universul şi a inversa sensul expansiunii acestuia.

Nu există suficientă materie pentru aceasta.

Pe baza informaţiilor pe care le avem în prezent, universul se va extinde pentru totdeauna. Aceasta poate părea o veste bună, dar cu toate acestea chiar dacă am mai avea un număr infinit de ore pana atunci, noi nu vom avea la dispoziţie un număr infinit de evenimente viitoare.

Pentru a înţelege de ce, trebuie sa va spun din ce este alcătuit, cu adevărat, universul.

Unde suntem şi unde mergem

În anul 2011 premiul Nobel pentru fizică a fost acordat lui Saul Perlmutter, Adam Riess şi Brian Schmidt care au arătat că Universul se află într-o expansiune accelerată. Cosmologii atribuie această expansiune accelerată unui câmp care nu a fost înţeles în totalitate şi care este cunoscut sub numele de energie întunecată.

Şi deşi nu cunoaştem prea multe despre acest câmp, avem, totuşi, unele informaţii destul de bune cu privire la una sau două caracteristici ale sale. Ştim, de exemplu, că pe baza celor mai recente estimări se pare că el reprezintă aproximativ 68% din energia totală a universului.

De asemenea, mai cunoaştem ceva despre presiunea exercitată de energia întunecată, un detaliu care ar putea părea irelevant la prima vedere, dar care se consideră ca are o mare importanţă. Una dintre cele mai importante predicţii ale relativităţii generale, teoria gravitaţiei a lui Einstein, este că toate formele de energie, inclusiv presiunea, impulsul şi altele similare, contribuie la câmpul gravitaţional al universului. Pentru materia sau câmpurile care străbat întregul univers, cum ar fi energia întunecată, densitatea de energie contează destul de mult.

Presiunea exercitată de un câmp precum cel al energiei întunecate este descrisă folosind un număr denumit w (cunoscut, de asemenea, în cazul în care vă plac cuvintele ca fiind „ecuaţia de stare"). Acesta reprezintă o constantă cosmologică autentică (în esenţă este cea mai simplă formă de energie întunecată şi este identică matematic cu forma „celei mai mare gafe a lui Einstein") care are valoarea -1 şi care determină accelerarea expansiunii universului. Într-un articol anterior am arătat că dacă w are o valoare mai mică decât -1 (chiar şi cu foarte puțin), universul îşi va continua expansiunea accelerată până într-un punct în care toţi atomii vor fi distruşi.

Tot atunci am afirmat (şi-mi menţin punctul de vedere) că cel mai probabil valoarea lui w este -1, o opinie împărtăşită de majoritatea cosmologilor. Cu toate acestea, trebuie să menţionez că în programul de cercetare  Pan-STARRS (n.t. Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) s-a estimat o valoare aproximativă a lui w de -1,186, care, luând în calcul erorile sistematice de măsură, nu exclude valoarea de -1.

Pentru scenariul apocaliptic de azi, voi presupune pur şi simplu că trăim într-un univers având o constantă cosmologică obişnuită fără a considera valori ale acesteia ce ar corespunde unui univers ciclic. Dacă credem că am înţeles ce este gravitaţia, atunci universul nu va avea sfârşit. El va exista pentru totdeauna.

Dar asta nu înseamnă că va exista un număr infinit de evenimente viitoare.


Calendarul unor evenimente viitoare

Voi ajunge în curând şi la provocările cu care se va confrunta o super-civilizație, dar permiteţi-mi sa încep mai întâi cu unele probleme privind lumea din jurul nostru (şi în legătura cu corpurile noastre) parcurgând unele dintre cele mai evidente repere ale eshatologiei noastre:

t+1 miliard de ani - Pământul va fi ars de Soare. Aşa cum am arătat în articolele anterioare, Soarele va deveni din ce în ce mai fierbinte. În cei 4,5 miliarde de ani care au trecut de la formarea sa, Soarele şi-a mărit luminozitatea cu aproximativ 40%. Intervalul de timp implicat în acest caz este cu mult mai lung decât schimbările climatice provocate de om, astfel încât la o scara a timpului de ordinul secolelor, influenţa omului predomină. Dar la un intervalul de timp de miliarde de ani, influenţa Soarelui devine dominantă. În cele din urmă, noi va trebui sa avem corpuri de robot sau să părăsim planeta.

t+4 miliarde de ani - Galaxia Calea Lactee se ciocneşte cu galaxia Andromeda (sau invers, în funcţie de cum te uiţi la ele). Acest lucru nu înseamnă neapărat un dezastru, dar este un prim eveniment dintr-o lungă serie de evenimente care vor culmina prin formarea unei insule singuratice de univers în care vom trăi şi care va exista pentru aproximativ încă câteva sute de miliarde de ani.

t+5,5 miliarde de ani - Soarele va deveni o stea gigantă roşie, ce va acoperi complet o coajă din ceea ce am numit odată a fi planeta noastră.

t+2 trilioane de ani - expansiunea accelerată a universului ne izolează cu totul. Una dintre consecinţele secundare ale faptului că trăim într-un univers unde predomină influenţa energiei întunecate este aceea că structurile acestuia, cum ar fi galaxiile, clusterele galactice şi superclusterele galactice și care nu sunt legate de noi prin acţiunea gravitaţiei se îndepărtează din ce în ce mai mult de noi corespunzător ratei de accelerare a expansiunii universului. Cândva, în viitor, aceste galaxii se vor separa complet de noi. Noi nu vom mai putea ajunge la ele chiar dacă am avea posibilitatea de a ne deplasa cu viteza luminii iar lumina emisă de acestea într-o faza timpurie a formării lor şi-a pierdut atât de mult din energie, în timp ce a călătorit prin univers, încât orice aflat în afara superclusterului nostru local va fi complet invizibil pentru noi. Distanţa maximă de comunicare şi de călătorie este cunoscută sub numele, deloc surprinzător, de „orizont". Această limită este aproape identică cu ceea ce se întâmplă atunci când cazi într-o gaură neagră.

2 trilioane de ani reprezintă începutul sfârşitului. Deşi astăzi credem că universul ar putea fi, de asemenea, infinit, după aproximativ 2 trilioane de ani este evident că vom putea avea parte doar de surse slabe de energie care se găsesc la câteva zeci de milioane de ani-lumină distanţă. În prezent aceasta nu pare a fi o constrângere importantă pentru noi, deoarece noi suntem destul de fericiţi chiar dacă ne bazăm doar pe sursele de energie aflate în cadrul sistemului nostru solar, dar poate că într-o zi vom dori sa ne lărgim orizontul în acest sens.

Izolarea noastră pe plan local ar putea fi cea mai importantă constrângere în cazul unui univers veşnic. La sfârşitul anilor '70 Freeman Dyson a susţinut că într-un univers deschis, fără o constantă cosmologică, universul ar putea evolua la nesfârşit.

t+100 trilioane de ani - procesul de formare a stelelor încetează şi în continuare toate stelele, una câte una, vor arde şi vor deveni fie găuri negre (în cazul celor mai masive dintre ele) sau stele pitice albe şi stele neutronice (pentru restul). După aceasta, fără prezenţa unor noi surse de căldură, temperatura va scădea rapid odată cu temperatura radiaţiei cosmice de fond a Universului care de mult timp a scăzut practic către zero absolut.

Noi avem tendinţa de a crede că universul s-a răcit deja deoarece temperatura radiaţiei cosmice de fond este de aproximativ 3 grade Kelvin peste temperatura de zero absolut. Această temperatură este tot ce a mai rămas în urma radiaţiilor ce au provenit datorită evenimentului Big Bang. De fiecare dată când universul se dublează ca mărime, temperatura sa se înjumătăţeşte. După alte 10 miliarde de ani, aceasta va cobora la 1,5 grade Kelvin. După 20 miliarde de ani, ea va fi de 0,75 grade K. Peste 100 trilioane de ani, temperatura universului se va înjumătăţi de aproximativ o mie de ori. Nu este foarte instructiv sa scrii valoarea acestei temperaturi foarte scăzute.

Cu toate aceste, eu o voi face...

Ea este: 0, 434 de zerouri 5 Kelvin.

100 quintilioane de ani (10²⁰ ani) - tot ce mai există a devenit o gaură neagră sau a fost atras într-o gaură neagră. Pe măsură ce obiectele cosmice îşi pierd din energie, orbitele lor vor fi afectate astfel încât ele se vor deplasa in spirală spre interiorul gaurii negre. Chiar şi în prezent, găuri negre masive se află ascunse în centrele celor mai masive galaxii, inclusiv a noastră. Dar, în cele din urmă, totul se va zdrobi într-o singularitate.

10¹⁰⁰ ani - toate găurile negre din univers se vor evapora, lăsând în urmă doar o baie caldă (şi care se răceşte rapid) de fotoni. Aceasta este consecinţa finală a celei de a doua legi a termodinamicii. Entropia sau gradul de dezordine, aşa cum este ea de obicei descrisă, va deveni din ce în ce mai mare până când va atinge o valoare maximă. Universul, pur şi simplu, nu poate fi mai dezordonat decât o mlaştină uniformă formată din fotoni de joasă energie.


Dincolo de sfârşit?

Ar mai putea exista şi alte repere în timp. De exemplu, este probabil ca la un moment dat toţi protonii din univers să se dezintegreze, dar până în prezent nu avem nicio idee reala după cât timp se va produce aceasta. Protonii ce au fost utilizaţi în cadrul experimentelor par să dureze cel puţin 10^36 ani. Dar, într-adevăr, aceasta este doar o presupunere.

Dar avem nevoie de protoni? Dacă literatura science-fiction ne-a învăţat ceva, atunci am putea crede că universul este plin de creaturi inteligente formate doar din energie pura. Dar chiar şi acestea nu pot trăi pentru totdeauna.

După cum am menţionat mai sus, deşi cronologia evenimentelor viitoare ar fi infinită în termeni de ani, asta nu înseamnă că noi (sau descendenţii noştri formaţi din energie pură) vom fi capabili sa desfăşurăm un număr infinit de activităţi în acest timp. Din moment ce totul devine din ce în ce mai rece în timp, ceea ce se întâmplă este că va exista din ce în ce mai puţină energie pentru a alimenta un calculator sau pentru a ţine în viaţă un creier.

Acest lucru înseamnă că gândurile (sau procesele) vor dura din ce în ce mai mult pe măsură ce trece timpul, în cele din urmă ajungându-se la un punct în care un singur gând final, în esenţă, ar îngheţa la jumătatea drumului ce ar fi trebuit să-l străbată. şi acest lucru este, de asemenea, o consecinţă a celei de-a doua legi a termodinamicii. Chiar şi energia scăzută care ar mai exista acolo nu va putea fi utilizată la nesfârşit fără crearea de căldură.

La scurt timp după ce s-a descoperit că universul se află într-o expansiune accelerată, Lawrence Krauss şi Glenn Starkmann au încercat să stabilească care sunt resursele energetice cu care se confruntă o insulă izolată din Univers, inclusiv detalii privind câtă energie este necesară pentru a permite funcţionarea unui creier. Încercarea lor reprezintă o idee buna, dar adevărul este că ei au stabilit o perioadă de existenţă a unei supercivilizaţii la doar, aproximativ, 10⁵⁰ ani, mult mai puţin decât intervalul necesar ca găurile noastre negre sa se evapore, înainte ca viaţa să rămână fără vapori de apă.

Din fericire, perioada indicată corespunde unui număr cu multe zerouri.