Delen:
10 bizarre realiteit van het leven aan het einde van het universum
Ons universum gaat dood, geen twijfel mogelijk. Een van de meest geaccepteerde modellen van het einde van het universum is de eeuwige expansie en de uiteindelijke dood door entropie. Terwijl het universum blijft uitbreiden, neemt de entropie toe totdat alles waarvan we weten dat het weg is. Maar hoe ziet het leven eruit als het einde nadert? Die vraag heeft aanleiding gegeven tot fascinerende ideeën over het universum en het leven zelf.
10 Geen sterren zichtbaar vanaf de aarde
Over 150 miljard jaar zal de nachtelijke hemel vanaf de Aarde er heel anders uitzien. Terwijl het universum naar zijn hittedood rent, zal de ruimte zelf sneller uitzetten dan de snelheid van het licht. Velen van ons zijn zich bewust van het idee dat lichtsnelheid een harde limiet is voor de snelheid van een object in het universum. Dat is echter alleen van toepassing op objecten die zich in de ruimte bevinden, niet het weefsel van de ruimte-tijd zelf. Dit is een moeilijk concept om onze gedachten rond te wikkelen, maar het weefsel van de ruimtetijd breidt zich al sneller uit dan het licht. En in de verre toekomst zal het vreemde implicaties hebben.
Omdat de ruimte zelf sneller expandeert dan het licht, bestaat er een kosmologische horizon. Voor elk object voorbij de horizon moeten we kunnen observeren en opnemen door deeltjes te detecteren die sneller reizen dan licht. Maar zo'n deeltje bestaat niet. Als objecten voorbij onze kosmologische horizon komen, zijn ze voor ons ontoegankelijk. Elke poging om contact te maken met of contact te hebben met verre sterrenstelsels voorbij de horizon vereist dat we technologie hebben die in staat is om sneller te reizen dan de uitbreiding van de ruimte zelf. Op dit moment bevinden slechts een paar objecten zich buiten onze kosmologische horizon. Maar omdat donkere energie de expansie versnelt, valt alles buiten deze waarnemingslimiet.
Wat betekent dat voor de aarde? Stel je voor dat je in 150 miljard jaar naar de nachthemel kijkt. De enige zichtbare dingen zijn een paar verspreide sterren die zich binnen de kosmologische horizon bevinden. Uiteindelijk zullen zelfs die verdwijnen. De nachtelijke hemel gaat helemaal leeg. Een astronoom in de toekomst zal geen bewijs hebben dat er nog een ander object in het universum is. Alle sterren en sterrenstelsels die we nu zien, zijn volledig buiten het bereik van telescopen. Voor zover we konden zien, zou ons zonnestelsel het enige overblijvende in ons universum zijn.
9 Onze zon wordt een zwarte dwerg
Op dit moment heeft ons universum veel verschillende soorten sterren. Rode dwergen - koele sterren die rood licht afgeven - behoren tot de meest voorkomende. Semantisch verwante witte dwergen vullen ook het universum. Dit zijn stellaire overblijfselen van dode sterren, gemaakt van gedegenereerde materie, die bijeengehouden worden door kwantumeffecten. Momenteel beschouwen astronomen witte dwergen als in wezen oneindige levensduur. Het universum is gewoon niet oud genoeg om ze te laten uitsterven. Maar als ze genoeg tijd krijgen, zullen ze zelfs sterven en exotische sterren worden genaamd zwarte dwergen.
Onze zon is op dat pad. In de verre toekomst zal onze zon de buitenste lagen uitwerpen en veranderen in een witte dwergster, die miljarden jaren in die staat blijft. Terwijl het universum naar beneden gaat, zal de witte dwerg die onze zon was, beginnen af te koelen. Na 10 jaar koelt het af tot zijn temperatuur gelijk is aan de achtergrondmicrogolfstraling, slechts enkele graden Kelvin boven het absolute nulpunt.
Als dat gebeurt, wordt het een zwarte dwerg. Omdat dit type ster zo koud is, is het onzichtbaar voor het menselijk oog. Dus iemand die probeert de Zon te vinden die ons leven gaf, zal het onmogelijk vinden om te zien met optische systemen. In plaats daarvan zullen ze moeten vertrouwen op het detecteren van de zwaartekrachtseffecten. De meeste sterren die we in de nachtelijke hemel zien, worden zwarte dwergen, maar wetende dat onze warme zon zal overgaan in een donker en koud stervormig overblijfsel, is iets persoonlijker.
8 rare sterren
Tegen de tijd dat onze zon een zwarte dwerg wordt, is de evolutie van de sterren voorbij. Er zullen geen nieuwe sterren worden gevormd. In plaats daarvan vult het universum zich met koude overblijfselen van de sterren. Dat zal het universum toelaten om enkele vreemde sterren te ontwikkelen die behoorlijk verschillen van wat we weten.
De ene is de bevroren ster. Terwijl de sterren van het universum door hun nucleaire brandstof branden, zullen ze hun metaalachtig karakter vergroten. In de astronomie is dit de maat van elementen in een ster die zwaarder zijn dan helium - in feite alle elementen van lithium. Naarmate de metalliciteit van de sterren toeneemt, zullen ze kouder worden omdat zwaardere elementen minder energie afgeven door fusie. Uiteindelijk zullen sterren zo koud worden dat ze een temperatuur van 273 Kelvin hebben, het vriespunt voor water.
Spring vooruit naar de verre toekomst, een nog vreemder ster zal tevoorschijn komen. Ongeveer 10 jaar later zal entropie zijn weg hebben gevonden en zal het universum in wezen dood zijn. In deze koude tijd zullen kwantumeffecten het universum regeren.
Kwantumtunneling zal dan beginnen om lichte elementen in een onstabiele vorm van ijzer te laten samensmelten. Dit zal dan vervallen tot een stabielere isotoop, die vage hoeveelheden energie afgeeft. Deze zogenaamde ijzeren sterren zijn de enige vorm van ster die mogelijk is in die tijd. Ze komen echter alleen voor in modellen waarin astronomen niet geloven dat protonen zullen vergaan, dus ze zijn geen mainstream idee.
7 All Nucleons Decay
Snel vooruit van 10 jaar na de Big Bang tot 10 jaar. Als de mensheid dan nog niet dood is, zullen we dit tijdperk zeker niet overleven. Zoals hierboven vermeld, betogen astronomen constant over de vraag of protonenverval zal optreden aan het einde van het universum. Voor onze doeleinden zullen we dit model volgen.
Nucleonen zijn de naam die aan de deeltjes wordt gegeven - protonen en neutronen - in een atoomkern. Van vrije neutronen is bekend dat ze vervallen met een halfwaardetijd van ongeveer 10 minuten. Maar protonen zijn ongelooflijk stabiel. Niemand heeft bewijs gevonden dat ze vergaan. Dat zal aan het einde van het universum veranderen.
Natuurkundigen hebben voorgesteld dat een proton een halfwaardetijd van 10 jaar heeft. We hebben ze niet zien vervallen omdat het universum niet oud genoeg is. Als je het gedegenereerde tijdperk binnengaat (10 tot 10 jaar), zullen protonen uiteindelijk beginnen te vervallen in positronen en pionnen. Tegen het einde van de Gedegenereerde Tijd zullen alle protonen en neutronen in het universum verdwenen zijn.
Dit heeft duidelijke implicaties voor het leven in het universum. Ervan uitgaande dat het menselijk ras de veranderende Zon heeft overleefd en is geëmigreerd naar meer leven-bevorderende delen van het universum, is dit het punt waar de wetten van de fysica de dood van het menselijk ras dicteren. Ons lichaam en alle interstellaire objecten zijn gemaakt van nucleonen. Wanneer dat verval, zal al het leven zoals wij het kennen eindigen omdat de eigen atomen in ons lichaam niet kunnen bestaan. Het leven kan niet voorbij dit punt overleven, en het universum zal duiken in het tijdperk van zwarte gaten.
6 zwarte gaten domineren het universum
Wanneer nucleonen verdwenen zijn, zullen zwarte gaten uiteindelijk het universum domineren van 10 jaar na de oerknal tot 10 jaar. Op dit punt hebben we het zo vaak over tijden dat het ons onmogelijk is om zich eromheen te wikkelen. Maar voor een langere periode dan het universum tot nu toe heeft bestaan, zullen de enige structuren om te spreken zwarte gaten zijn.
Als de nucleonen voorbij zijn, zullen de belangrijkste subatomaire deeltjes leptonen zijn, zoals elektronen en positronen. Dit zijn wat de zwarte gaten zal voeden. Terwijl ze de resterende materie in het universum consumeren, zullen zwarte gaten zelf deeltjes uitstralen, die het universum zullen vullen met fotonen en hypothetische gravitonen. Maar zoals Steven Hawking bewees, gaan zelfs zwarte gaten ten einde.
Volgens Hawking verdampen zwarte gaten als gevolg van hun straling. Terwijl ze blijven stralen, verliezen ze massa in de vorm van energie. Dit proces duurt lang, daarom lijkt het ons zo vreemd. Het duurt 10 jaar voordat zwarte gaten volledig zijn verdampt, dus dit proces is niet opgetreden tijdens de levensduur van ons universum. Maar uiteindelijk zullen zelfs de zwarte gaten verdwijnen. Hun enige overblijfselen zijn een verscheidenheid aan massa-vrije deeltjes en een paar verspreide leptonen die een wisselwerking zullen hebben terwijl ze langzaam hun energie verliezen.
5 Een nieuw type atoomvormen
Nadat ons universum is veranderd in een paar verspreide subatomaire deeltjes, lijkt het alsof er niet veel meer over zal worden besproken. Maar op deze hoogst onwaarschijnlijke plaatsen kan het leven ontstaan.
Jarenlang hebben deeltjesonderzoekers gesproken over positronium, een atoomachtige binding van een positron en een elektron. Deze twee deeltjes hebben tegenovergestelde ladingen van elkaar. (Het positron is het antideeltje van het elektron.) Dat betekent dat ze elektromagnetisch worden aangetrokken als ze proberen naar elkaar toe te bewegen. Wanneer een paar van deze deeltjes in wisselwerking treedt, kunnen ze rudimentaire banen ontwikkelen en zich gedragen als de atomen die we kennen.
Omdat positronium zeldzaam is, is er geen volledig model van positronium "chemie". Maar enkele interessante dingen komen van deze vreemde "atomen." Ten eerste kunnen ze bestaan met extreem grote banen, die interstellaire afstanden overbruggen. Zolang de twee deeltjes interageren, kunnen ze een paar vormen, ongeacht de afstanden.
Tijdens de Black Hole-tijd zullen sommige van deze "atomen" diameters hebben die een grotere afstand overspannen dan ons huidige waarneembare universum. Omdat ze zijn gemaakt van leptonen, zullen positronium-atomen het protonverval overleven en als laatste door de Black Hole-periode. In feite zullen de zwarte gaten de positroniumatomen door straling creëren. Zelfs zullen ze vervallen als ze genoeg tijd krijgen, waarbij het positron-elektronenpaar steeds dichter bij de wederzijdse vernietiging komt. Maar daarvoor kan het universum leven produceren op een manier die we nog nooit hebben gezien.
4 Alles gebeurt uiterst langzaam, inclusief denken
Naarmate de Black Hole Era tot een einde komt en zelfs deze sterrenreuzen in de duisternis verdwijnen, zullen er nog maar een paar dingen over zijn in ons universum, voornamelijk diffuse subatomaire deeltjes en de resterende positronium-atomen. Zodra dit gebeurt, zal alles in het universum uiterst langzaam plaatsvinden, waarbij elke actie eeuwig duurt. Volgens sommige theoretische natuurkundigen, voornamelijk Freeman Dyson, kan het leven in deze tijd in ons universum terugkeren.
Gezien de immense hoeveelheid tijd, zou de organische evolutie zich kunnen ontwikkelen onder het positronium. De wezens die tevoorschijn komen, zijn heel anders dan alles wat we hebben gezien. Ze zouden bijvoorbeeld enorm zijn en interstellaire afstanden overbruggen. Omdat er niet veel meer in het universum overblijft, zullen ze alle ruimte hebben die ze zouden willen hebben. Maar omdat deze levensvormen zo groot zullen zijn, zullen ze tegen tarieven exponentieel langzamer denken dan wij. In feite zou het vormen van enkele gedachten voor deze wezens miljarden jaren kunnen duren.
Dat lijkt ons gek, maar omdat deze wezens op enorme tijdschalen zullen bestaan, lijkt het denken onmiddellijk voor hen. Als deze wezens zich ontwikkelden tijdens het afbouwen van het universum, zou er geen manier zijn om sneller te denken, dan je kunt denken sneller te denken dan je al doet. Voor wezens aan het einde van het universum zal "spontane gedachte" op enorme tijdschalen zijn, maar alleen volgens ons. Al deze wezens zullen geloven dat ze ogenblikkelijk denken. Deze wezens zullen voor enorme hoeveelheden tijd bestaan, kijkend naar het universum dat om hen heen stroomt. Zelfs dan zullen ze uiteindelijk instorten.
3 No More 'Macro-fysica'
Op dit punt heeft het universum een bijna maximale entropietoestand bereikt, wat betekent dat het slechts een uniform energieveld en een paar subatomaire deeltjes zal zijn. Dit zal na het tijdperk van het zwarte gat zijn, dat zich in de toekomst diep in de tijd na de komende 10 jaar zal uitbreiden.Op dit punt zal de ruimte zoveel zijn uitgebreid en zal donkere energie zo krachtig zijn dat zelfs zwarte gaten niet langer zullen bestaan en het universum geen massieve sterrenobjecten meer zal hebben.
Het is moeilijk om je een universum als dit voor te stellen. De uitzetting zal op dit punt zo duidelijk zijn geworden dat sterren zoals we die nu kennen zich niet meer zullen vormen omdat de subatomaire deeltjes die materie vormen zo ver van elkaar zijn geduwd dat ze niet in staat zullen zijn om te interageren zonder sneller te reizen dan licht . Het enige dat zal bestaan is een paar losse deeltjes die rond de lege kosmos zullen zweven, zelfs niet in staat zijn om te interageren om positroniumatomen te vormen.
Dit betekent dat de natuurkunde zoals wij die kennen voorbij zal zijn. De enige fysieke modellen die zullen worden toegepast, zijn de kwantummechanica. Kwantumeffecten zullen zich voordoen over uitgestrekte interstellaire afstanden en over enorme tijdspannes, iets dat helemaal tegengesteld is aan de manier waarop we het universum nu zien. Uiteindelijk daalt de algehele temperatuur van het universum naar het absolute nulpunt, wat betekent dat er geen energie zal zijn die in werk kan worden omgezet. In sommige modellen zal de uitbreiding van de ruimte nog steeds versnellen, waardoor uiteindelijk de ruimtetijd uiteenvalt. Op dat moment zal ons universum ophouden te bestaan.
2 Er kan een uitweg zijn
Tot nu toe is onze reis naar het einde van het universum een toenemende reeks sombere en deprimerende gebeurtenissen geweest. Maar natuurkundigen zijn niets zo niet optimistisch en hebben manieren voorgesteld voor het menselijk ras om het einde der tijden te overleven en zelfs ons universum opnieuw te beginnen.
De grootste mogelijkheid om te ontsnappen aan ons universum met maximale entropie is om zwarte gaten te gebruiken voordat protonverval het leven onmogelijk maakt. Zwarte gaten zijn nog steeds enorme mysteries en theoretici zoals Steven Hawking hebben voorgesteld deze massieve objecten te gebruiken om nieuwe universums te bereiken.
De moderne theorie suggereert dat bubbel-universums voortdurend van de onze loskomen en hele nieuwe universums vormen met materie en de mogelijkheid voor het leven. Hawking gelooft dat zwarte gaten de doorgangen naar deze nieuwe universums kunnen bevatten. Er is maar één probleem. Als je eenmaal de grens van een zwart gat bent gepasseerd, kun je het niet meer vinden. Dit is een bekend idee in de natuurkunde. Dus als de mensheid besliste om in een zwart gat te reizen, zou het een enkele reis zijn.
Ten eerste zouden ze een voldoende massief, draaiend zwart gat moeten vinden om de reis door de gebeurtenishorizon te overleven. (In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zijn enorme zwarte gaten eigenlijk veiliger om doorheen te reizen.) Dan zouden toekomstige ruimtereizigers moeten hopen dat de reis hen in één stuk achterlaat, maar ze zouden nooit kunnen communiceren met hun vrienden aan de andere kant van het zwarte gat om ze te vertellen dat ze het gehaald hebben. Elke reis zou een sprong in het geloof worden.
Maar er is een manier om ervoor te zorgen dat er aan de andere kant een nieuw universum op ons wacht. Volgens Alan Guth zou een nieuw babyuniversum slechts 10 fotonen, 10 elektronen, 10 positronen, 10 neutrino's, 10 antineutrinos, 10 protonen en 10 neutronen nodig hebben om te starten. Dat lijkt veel, maar het is maar een paar gram materiaal.
Dan zouden toekomstige mensen een vals vacuüm kunnen produceren - wat een gebied van ruimte is dat het potentieel heeft voor expansie - gecreëerd door een supersterk gravitatieveld. In de verre toekomst zouden mensen de technologie kunnen verwerven om een vals vacuüm te creëren en hun eigen universum te beginnen. Omdat de initiële inflatie van het universum in een fractie van een seconde plaatsvindt, zou het nieuwe universum zich vrijwel onmiddellijk uitbreiden en een nieuw thuis creëren voor de mensheid om in te leven. Een snelle hop door een wormgat en we zouden een veilig universum vinden om door te gaan onze race.
1 Willekeurige kwantumtunneling kan het allemaal opnieuw beginnen
Maar hoe zit het met het universum dat we achterlaten? Over een enorme hoeveelheid tijd zou het uiteindelijk de maximale entropie bereiken en volledig onbewoonbaar worden. Maar zelfs in dit dode universum is er een kans dat het leven terugkeert. Onderzoekers van de kwantummechanica kennen een kwantumeffect dat quantum-tunneling wordt genoemd. Dit is wanneer een subatomair deeltje in staat is een energietoestand te bereiken die niet klassiek mogelijk is.
In de klassieke mechanica kan een bal bijvoorbeeld niet spontaan een heuvel oprollen. Dat is een verboden energiestaat. Subatomaire deeltjes hebben ook verboden energietoestanden in de klassieke mechanica, maar de kwantummechanica draait dat allemaal op zijn kop. Soms kunnen deeltjes naar deze energietoestanden "tunnelen".
Dit proces gebeurt al in sterren. Maar wanneer toegepast op het einde van het universum, komt een vreemde mogelijkheid naar voren. Deeltjes in de klassieke statistische mechanica kunnen niet van een hogere entropietoestand naar een lagere gaan. Maar met quantum-tunneling kunnen en willen ze. Natuurkundigen Sean Carroll en Jennifer Chen hebben het idee geopperd dat kwantumtunneling, mits voldoende tijd, de entropie in het dode universum spontaan zou kunnen verminderen, waardoor er een nieuwe Big Bang zou ontstaan en het universum opnieuw zou beginnen. Houd je adem niet in wachtend. Een spontane daling van de entropie zou 10 kosten jaren te voorkomen.
Een andere theorie kan ons hoop geven op een nieuw universum - dit komt uit de wiskunde. In 1890 publiceerde Henri Poincare zijn herhalingstheorema, waarin staat dat, gegeven een extreem lange tijd, alle systemen terugkeren naar een staat die heel dicht bij hun oorspronkelijke staat. Dit kan van toepassing zijn op de thermodynamica, waarbij willekeurige thermische fluctuaties in het hoge entropie-universum ervoor zorgen dat deze terugkeert naar een initiële toestand, waarbij alles opnieuw begint. Na eonen van tijd zou ons universum zichzelf opnieuw kunnen vormen en toekomstige wezens die erin leven zouden geen idee hebben dat ze uit het universum kwamen dat we kennen.