Մեծ զուլում, կամ Տիեզերքի մահվան մասին շշուկները մի փոքր չափազանցված են
Տիեզերական պրոցեսները տեղի են ունենում ֆիզիկայի ֆունդամենտալ օրենքների ու փոխազդեցությունների առաջնորդությամբ։ Դրանց շնորհիվ է աստղերի մեջ բռնկվում ջերմամիջուկային ռեակցիան, ձևավորվում մոլորակները, իսկ առնվազն դրանցից մեկի վրա` առաջացել է կյանքը։ Տիեզերական ժամացույցը շարունակում է իր անկասելի ընթացքը, ու Տիեզերքի վերջի մասին խոսակցությունները կարող են տարօրինակ թվալ, չէ՞ որ այն այնքան մեծ է, որ ուղղակի պարտավոր է հավերժական լինել։
Տիեզերական ժամանակների մասշտաբներով մեր Տիեզերքը դեռ նորածին է, սակայն գալակտիկաները արդեն հասցրել են աստղաառաջացման վրա ծախսել աստղային գլխավոր շինանյութը` միջաստեղային գազը ու փոշին։ Մոտ 1 տրիլիոն տարի անց բոլոր գալակտիկաներում գազի ու փոշու պաշարներն ամբողջությամբ սպառվելու են, իսկ աստղային էվոլյուցիան բերելու է նրան, որ բոլոր աստղերը վերածվելու են կամ հանգչող թզուկների, կամ էլ սև խոռոչների։
Հետագայում բոլոր մնացած, սառչող երկնային մարմիններն աստիճանաբար միանալու են գրավիտացիայի ազդեցության տակ` վերածվելով սև խոռոչների։ Այդ մութ ժամանակներում Տիեզերքն ամբողջությամբ բաղկացած է լինելու սև խոռոչներից։ Սակայն այդ ամենակուլ օբյեկտները նույնպես հավերժական չեն. Հոքինգի ճառագայթման շնորհիվ դրանք աստիճանաբար, անընկալելի երկար ժամանակներում կորցնելու են իրենց զանգվածն ու նույնպես անհետանան։ Դրանից հետո Տիեզերքում մնալու է միայն ատոմական շատ նոսր գազը, իսկ եթե ճիշտ է պրոտոնի տրոհման հիպոթեզը, ապա ինչ-որ շատ երկար ժամանակ անց ատոմները նույնպես կանհետանան, մնալու է միայն ֆոտոններից ու լեպտոններից բաղկացած գազը. Տիեզերքը հայտնվելու է հավերժական խավարում։
Վերոնշյալը Տիեզերքի հնարավոր հետագա ճակատագրի ամենապոպուլյար մոդելն է, Տիեզերքի ջերմային մահը կամ Մեծ սառեցումը (Big Freeze): Սակայն այն միակը չէ։ PAN-ը պատմում է Տիեզերքի մահվան տեսակների մասին։
ՋԵՐՄԱՅԻՆ ՄԱՀ
Մինչև ջերմային մահվան մասին խոսելը, մի քանի բառ էնթրոպիայի մասին` փոքրիկ մանրապատման տեսքով։
- Արա, Վզգո, հորս արև մեր տունը թալանել են, - դռան շեմից գոռաց այլայլված Գագոն։ Վզգոն ու Գագոն ռայոնցի ուսանող տղերք էին, սովորում էին նույն կուրսում ու համատեղ բնակարան էին վարձել։
- Հլը մե րոպե, - Վզգոն հրեց ընկերոջն ու ներխուժեց տուն՝ ուղղվելով դեպի իր սենյակը։ Բացեց դուռը։ Մի քանի զույգ վերնաշապիկ գետնին ու անկողնում, շալվարներ, պիցցայի մնացորդներ, էլի գետնին ու գրապահարանին, մի քանի տասնյակ գարեջրի շիշ... Կարճ ասած՝ Վզգոյի սենյակում ամեն ինչ սովորականի նման էր։
- Ի՞նչ պանիկա ես սարքում, Գագո, - Վզգոն հանում է վերնաշապիկն ու նետում սենյակում հավաքված կույտի վրա, - նորմալ վիճակ ա, չեն թալնե։
- Արա, դե քո սենյակում միշտ նույն խոզանոցն ա, պարզ ա, որ ատոմային ռումբ էլ քցեն, տարբերությունը չես զգա, - Գագոն ընկերոջ թևը քաշելով տանում է իր սենյակ, որը միշտ կոկիկ հավաքված է, - Նայի՜։ Ասում եմ՝ մտել են մեր տո՜ւն։ Դեղերի տուփերն այբբենական կարգով չեն դասավորված, Շեքսպիրի հատորները՝ ըստ հրատարակման ամսաթվերի։ Նայի, սև ու սպիտակ նասկիները մի դարակում են, Վզգո։ Ասում եմ՝ մեր տուն մտել են, սաղ խառնել են իրար...
Ի՞նչ եզրակացության կարող ենք գալ այս փոքրիկ պատմությունից։ Որ Վզգոն փնթի խոզ է, իսկ Գագոն հիստերի՞կ։ Այո։ Բայց կա մեկ այլ, առավել կարևոր եզրակացություն. Վզգոյի սենյակն ունի շատ բարձր էնթրոպիա, իսկ Գագոյինը՝ շատ ցածր։
Եթե ուշադրություն չդարձնենք Գագոյի հիստերիայի վրա, իրավիճակը շատ պարզ, սակայն ժամանակակից ֆիզիկայի համար կարևոր շեշտադրում է անում. եթե ինչ-որ բան գտնվում է շատ խառնաշփոթ վիճակում, ինչպես Վզգոյի սենյակը, ապա այդտեղ գտնվող իրերի տարբեր ու բազմաթիվ տեղափոխությունների արդյունքում ընդհանուր մակրոսկոպիկ տեսքը կմնա նույնը։ Հավաքեք 26 հատ ճմրթված վերնաշապիկ, թափված անկողնում, գետնին, պահարանի վրա ու կրկին նետեք դրանք այստեղ-այնտեղ, հավաքեք գարեջրի 42 դատարկ շշերն ու նորից նետեք սենյակով մեկ. միևնույն է, սենյակը կունենա նույն տեսքը։ Սակայն եթե ինչ-որ բան շատ խիստ դասավորված է, ինչպես Գագոյի սենյակի դեպքում, անգամ ամենափոքր փոփոխությունը դառնում է շատ նկատելի։
Այս տարբերությունն ընկած է էնթրոպիայի մաթեմատիկական սահմանման հիմքում։ Վերցրեք ցանկացած համակարգ ու հաշվեք դրա կոմպոնենտների վերադասավորման ձևերի քանակը, որոնց դեպքում համակարգի ընդհանուր մակրոսկոպիկ տեսքը չի փոխվի։ Եթե կա նման վերադասավորումների շատ մեծ քանակություն, ապա համակարգն ունի շատ բարձր էնթրոպիա, իսկ եթե համակարգի տեսքը չփոխող վերադասավորումների քանակը փոքր է, ապա էնթրոպիան ևս ցածր է։
Իզոլացված համակարգի էնթրոպիան (գրեթե միշտ) աճում է, ինչով էլ որոշվում է ժամանակի առանցքի ուղղությունն անցյալից դեպի ապագա, այլ ոչ հակառակը։
Եթե ենթադրենք, որ Տիեզերքն իզոլացված ջերմադինամիկական համակարգ է, ապա էնթրոպիան անդադար աճելու է, կինետիկ էներգիան վերածվելու է ջերմայինի, ինչի արդյունքում շատ հեռու ապագայում Տիեզերքը հայտնվելու է ջերմային հավասարակշռության կամ ջերմային մահվան վիճակում, երբ ցանկացած մակրոսկոպիկ մեխանիկական պրոցես անհնար կդառնա։ Տիեզերական տարածությունը լցված կլինի միայն տարրական մասնիկների նոսր գազով` բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանում։
Այդուհանդերձ, ջերմային մահը միանշանակ հաստատված ու ամենահավանայան սցենարը չէ Տիեզերքի հեռավոր ապագայի համար։ Նախ, անհրաժեշտ է, որ բացառվեն մահվան ավելի դրամատիկ տարբերակները (դրանց մասին` ստորև), Տիեզերքի ընդլայնումն ապահովող մութ էներգիան էլ պետք է կոսմոլոգիական հաստատուն լինի, այսինքն` այդ էներգիայի խտությունը ժամանակի հետ փոփոխությունների չպետք է ենթարկվի։
Կան ջերմային մահվան դեմ ավելի մասնավոր դիտարկումներ նույնպես։ Պարզ չէ, ինչպես կարելի է սահմանել ամբողջ Տիեզերքի էնթրոպիան ու արդյոք նման սահմանումը կարող է հստակ լինել, մանավանդ, հաշվի առնելով գրավիտացիան, որի դեպքում ոչ հավասարակշռված ենթահամակարգերը կարող են ստատիկ լինել։ Անհրաժեշտ է հաշվի առնել նաև, որ էնթրոպիայի աճի օրենքը ստատիստիկ կանոն է, որը, սակայն, չի բացառում ցածր հավանականություն ունեցող պրոցեսները, որոնց ընթացքում էնթրոպիան կարող է լոկալ նվազել, իսկ հավերժական խավարում Տիեզերքի անվերջ երկար կյանքը հրաշալի թատերաբեմ է նման ջերմադինամիկական հրաշքների համար. օրինակ, ինչ-որ տեղում տարրական մասնիկների պատահական բախումները կարող է բերել ատոմների առաջացմանը, իսկ այդ ատոմներից կարող են ձևավորվել ավելի բարդ օբյեկտներ։ Եթե էնթրոպիայի նման ֆլուկտուացիան բավարար մեծ լինի, կարող են Տիեզերական խավարից անգամ ամբողջական գալակտիկաներ ու մետագալակտիկաներ առաջանալ։
Նույն օպերայից է նաև վերադարձի մասին Պուանկարեի թեորեմը, համաձայն որի փակ ջերմադինամիկական համակարգը բավարար երկար, սակայն վերջավոր ժամանակ անց կվերադառնա վիճակի, որը որքան ասես մոտ է (անդադար վիճակով համակարգերի համար) կամ ճշգրիտ համապատասխանում է (դիսկրետ վիճակով համակարգերի համար) իր սկզբնական վիճակին։
Ավելի պարզ բացատրենք օրինակի միջոցով։ Վերցնում ենք տարա, որի երկու հատվածը միմյանցից բաժանված են միջնապատով։ Հատվածներից մեկում գազ է, մյուսը դատարկ է։ Հեռացնում ենք միջնապատը, ինչի հետևանքով գազը մի հատվածից սկսում է թափանցել մյուսը` արդյունքում լցնելով ամբողջ տարան։ Վերադարձի մասին Պուանկարեի թեորեմը պնդում է, որ գազի մոլեկուլների պատահական շարժումների ու բախումների արդյունքում շատ երկար, բայց վերջավոր ժամանակում գազը կրկին ամբողջությամբ կհավաքվի տարայի այն հատվածում, որտեղ եղել է ի սկզբանե։
Պուանկարեի թեորեմն ունի հետաքրքիր հետևանքներ Տիեզերքի համար։ Եթե Տիեզերքը փակ ջերմադինամիկական համակարգ է, չի ենթարկվում ոչ տրիվիալ էվոլյուցիայի, ապա հեռավոր ապագայում Տիեզերքի ամբողջ պատմությունը, այդ թվում` Երկիր մոլորակի, դրա վրա ապրող բոլոր մարդկանց պատմությունները կրկնվելու են անվերջ անգամներ։
Վերոնշյալը բխում է հին ու բարի դասական ֆիզիկայից, սակայն քվանտային մեխանիկայի դեպքում ամեն ինչ շատ ավելի հետաքրքիր է։ Դրա մասին` ստորև։
ՔՎԱՆՏԱՅԻՆ ՖԼՈՒԿՏՈՒԱՑԻԱՆԵՐ
Քվանտային մեխանիկայում ամեն ինչ հիմնված է հավանականությունների վրա, ու կարող է տեղի ունենալ ցանկացած պրոցես, որն արգելված չէ պահպանման խիստ օրենքներով։ Ցածր հավանականություն ունեցող պրոցեսներին անհրաժեշտ է երկար ժամանակ, իսկ ի՞նչն է շատ Տիեզերքի ապագայում. իհարկե, ժամանակը։
Քվանտային դաշտի տեսության` ժամանակակից ամենաճշգրիտ գիտական ուղղության համաձայն, բոլոր տարրական մասնիկներն իրենցից ներկայացնում են քվանտային դաշտերի տատանումներ։ Երբ մասնիկները չկան, քվանտային դաշտերը գտնվում են իրենց էներգետիկ մինիմումում, սակայն անգամ այդ վիճակում քվանտային դաշտերը ենթարկվում են քվանտային ֆլուկտուացիաների, որոնք բերում են այսպես կոչված վիրտուալ մասնիկների առաջացմանը, որոնք, ունենալով շատ կարճ կյանք, անմիջապես անհետանում են` էներգիան վերադարձնելով քվանտային դաշտին։
Դաշտի վիճակը, որում մասնիկներ չկան, իսկ դաշտը գտնվում է իր էներգետիկ մինիմումում, կոչվում է ֆիզիկական վակուում։ Սովորաբար, ենթադրվում է, որ ֆիզիկական վակուումը կայուն է, այսինքն` այստեղ չեն կարող տեղի ունենալ շոշափելի իրադարձություններ։ Սակայն հնարավոր է, որ վակուումը, որի նկատմամբ տատանումները հենց մեր իմացած նյութն է, կայուն չէ (մետաստաբիլ է), ու կա հավանականություն, որ այն կարող է ընկնել էլ ավելի ցածր էներգետիկ վիճակի մեջ։ Սա կոչվում է մետաստաբիլ վակուումի տրոհում։
Ինչի՞ է նման Տիեզերքի վերջը մետաստաբիլ վակուումի տրոհման դեպքում։ Տարածության որևիցե հատվածում առաջանում է նոր, ավելի ցածր էներգիա ունեցող վակուումի պղպջակ, որը սկսում է ընդլայնվել լույսի արագությամբ։ Պղպջակի ներսում մասնիկների պարամետրերը բոլորովին այնպիսին չեն, ինչպիսիք մեր ճանաչած Տիեզերքում է, հետևաբար` կյանքը, ինչպիսին մենք այն գիտենք, նոր առաջացող ֆիզիկական պայմաններում անհնար է դառնում։
Հնարավոր է նաև հակառակ պրոցեսը, երբ մետաստաբիլ վակուումը ոչ թե ընկնում է ավելի ցածր էներգետիկ մակարդակ, այլ բարձրանում է ավելի բարձրի, չնայած այս պրոցեսի հավանականությունն էլ ավելի փոքր է։ Այս դեպքում առաջանում է բարձր էներգետիկ վակուումի պղպջակ, որն ինֆլյացիոն ընդլայնման է ենթարկվում։ Հաշվի առնելով, որ մեր դիտարկելի Տիեզերքը հենց նման ինֆլյացիոն պրոցեսի արդյունք է, հնարավոր է, որ այն առաջացել է նախկին, շատ հին ու արդեն խավարի դարաշրջանում գտնվող Տիեզերքում։
ՄԵԾ ՍԵՂՄՈՒՄ (BIG CRUNCH)
Մինչև մութ էներգիայի հայտնաբերումը, որի հետևանքով Տիեզերքն արագացմամբ ընդլայնվում է, առավել լայնորեն ընդունված կարծիքը Տիեզերքի ապագայի հետ կապված, նկարագրվում էր Մեծ սեղմումով։ Սակայն եթե արագացմամբ ընդլայնման պատճառը տիեզերագիտական հաստատունն է, մեծ սեղմում տեղի չի ունենա, որովհետև գրավիտացիոն կապը օբյեկտների միջև ընդլայնման հետևանքով անընդհատ թուլանալու է։
Իսկ ի՞նչ, եթե մութ էներգիան ոչ թե հաստատուն է, այլ փոփոխական։ Ի՞նչ, եթե էներգիայի խտությունը ժամանակի հետ նվազում է։ Այս դեպքում գործ ունենք ոչ թե տիեզերագիտական հաստատունի, այլ քվինտեսենցիայի հետ։ Եթե մութ էներգիայի խտությունը հավասարվի զրոյի ու դառնա բացասական հեռավոր ապագայում, նյութը գրավիտացիայի ազդեցությամբ սկսելու է սեղմվել։ Գալակտիկաները բախվելու են միմյանց ու ձուլվելու են, իսկ որոշ ժամանակ անց դիտարկելի Տիեզերքը կդառնա նարնջի չափ ճիշտ այնպես, ինչպես մեծ պայթյունի ժամանակներում էր։
Իսկ թե ինչ տեղի կունենա հետո, անհնար է կանխատեսել առանց քվանտային գրավիտացիայի լիարժեք տեսության, որովհետև նման պայմաններում գլուխ են բարձրացնում գրավիտացիայի քվանտային հատկությունները։ Որոշ մոդելների համաձայն, Տիեզերքը կանցնի այսպես կոչված Մեծ ցատկի (Big Bounce) միջով, երբ քվանտային էֆեկտները ստիպեն տարածությանը կրկին ընդլայնվել. այս հիպոթեզներում Տիեզերքն անցնում է ընդլայնման, սեղմման ու դրան հաջորդող հերթական ընդլայնման ու սեղմման անվերջ փուլերի միջով։
ՄԵԾ ՊԱՏՌՈՒՄ (BIG RIP)
Կարող է այնպես ստացվել, որ մութ էներգիայի էներգետիկ խտությունը ժամանակի հետ ոչ թե նվազում է, այլ աճում։ Այդ դեպքում արագացմամբ ընդլայնումը կշարունակի այդ արագացման մեծացմամբ։ Սա, թերևս, ամենադրամատիկ սցենարն է։
Կարճ ժամանակում միմյանց միջև կապերը կկորցնեն գալակտիկաները, ապա` գրավիտացիոն կապը կկորի աստղերի, աստղերի ու մոլորակների միջև։ Մութ էներգիայի խտության աճի հետ մեկտեղ ընդլայնման ուժը կհաղթահարի անգամ էլեկտրամագնիսական ու ուժեղ փոխազդեցությունները. սկզբում մասերի կբաժանվեն մոլեկուլները, ապա` ատոմները, ինչից հետո անգամ տարրական մասնիկների միջև կապերը նույնպես կանհետանան։
Թե ինչ է հաջորդելու դրան, կրկին անհայտ է` քվանտային գրավիտացիայի լիարժեք տեսության բացակայության պատճառով։
Անհրաժեշտ է հիշել, որ տիեզերական աղետ գուժող բոլոր վերոնշյալ իրադարձությունները բխում են Տիեզերքի մասին մեր գիտելիքներից ու մոդելներից (տեսողություններից ու հիպոթեզներից)։ Այդ կանխատեսումները զգալի առումով սպեկուլյատիվ են։ Մենք դեռ բազում բաներ չգիտենք Տիեզերքի մասին, իսկ ապագա հայտնագործությունները կարող են արմատապես փոխել Տիեզերքի ապագայի սցենարները։