Sådan fungerer Big Crunch -teorien

Vi er alle bekymrede for, hvad der vil ske i slutningen af ​​vores liv. Vi ser andre levende ting dø, og vi ved, at det vil ske for os. Fordi det er uundgåeligt, vi bekymrer os om hvornår, hvor og hvordan det vil ske. Mange af os undrer os også over Jordens skæbne. Vil det være en gæstfri blå bold for evigt, eller vil den i sidste ende blive fortæret af solen, når den svulmer op fra en mellemstor gul stjerne til en rød kæmpe? Eller måske vil vi forgifte vores planet, og det vil flyde, koldt og øde, gennem rummet. Hvis sådan noget skulle ske, hvor lang tid ville det tage? Hundrede år? Tusind? En million?

Nogle astronomer - dem, der kalder sig kosmologer - stiller lignende spørgsmål om universet. Den skala, som disse forskere arbejder på, selvfølgelig, er meget anderledes. Universet er stort i forhold til en enkelt planet, selv en enkelt galakse, og dens tidslinje er meget, meget længere. På grund af dette, kosmologer kan ikke med sikkerhed vide, hvordan universet begyndte, eller hvordan det ender. De kan, imidlertid, indsamle beviser, lave uddannede gæt og etablere teorier.

En sådan teori, om universets fremtid, er legende kendt som "den store knase". Ifølge denne teori, universet vil en dag stoppe med at ekspandere. Derefter, som tyngdekraften trækker på sagen, universet vil begynde at trække sig sammen, falder indad, indtil det er faldet tilbage til en super-hot, super-tæt singularitet. Hvis teorien holder stik, universet er som en kæmpe soufflé. Det starter i det små, udvider derefter, når det varmes op. Til sidst, imidlertid, souffléen afkøles og begynder at falde sammen.

Ingen kan lide en faldet soufflé, og vi bør ikke lide et univers, der opfører sig som et. Det staver undergang for hver galakse, stjerne og planet, der findes i øjeblikket. Heldigvis den store knas er ikke en garanti. Kosmologer er i øjeblikket engageret i en varm debat. En lejr siger, at soufflen falder; den anden lejr siger, at souffléen vil udvide sig for evigt. Det vil vare milliarder af år, før vi med sikkerhed ved, hvilken lejr der er den rigtige.

I mellemtiden, lad os dykke dybere ned i den store knase for at forstå, hvad det er, og hvad det betyder for universet. Fordi den store knase faktisk er en konsekvens af big bang, lad os starte der.

1. Det store brag
2. Bevis for Big Bang
3. Ud over Big Bang
4. Tyngdekraft vs. udvidelse
5. Mørk energis rolle
6. Død og genfødsel

Det store brag

Selvom How the Big Bang Theory Works dækker universets oprindelse i detaljer, det vil være nyttigt at dække det grundlæggende her. Den korte version lyder sådan:For omkring 15 milliarder år siden, al materie og energi blev aftappet i en utrolig lille region kendt som en singularitet . På et øjeblik, dette enkelt punkt af super-tæt materiale begyndte at ekspandere i en forbløffende hurtig hastighed. Astronomer forstår ikke helt, hvad der fik ekspansionen til at begynde, men de bruger udtrykket "big bang" til at beskrive både singulariteten og de første øjeblikke, der fulgte.

Da det nyfødte univers ekspanderede, det begyndte at køle af og blive mindre tæt. Tænk på en dampstråle, der kommer fra en tekedel. I nærheden af ​​tudlåget, dampen er ret varm, og dampmolekylerne er koncentreret i et lukket rum. Da dampen bevæger sig væk fra kedlen, imidlertid, dampen køler ned, når molekylerne spredes i dit køkken. Det samme skete efter big bang. Inden for cirka 300, 000 år, alt indeholdt i singulariteten havde ekspanderet til en svedende, uigennemsigtig kugle af stof og stråling. Som det gjorde, temperaturen faldt til 5, 432 grader Fahrenheit (3, 000 grader Celsius), tillader mere stabile partikler at dannes. Først kom elektroner og protoner, som derefter kombineres til dannelse af hydrogen- og heliumatomer.

Universet fortsatte med at ekspandere og tynde ud. Du kan blive fristet til at forestille dig dette unge univers som en gryderet, med klumper af stof, der flyder i tyk sovs. Men astronomer synes nu, det var mere som en suppe, meget glat i tæthed bortset fra et par små udsving. Disse forstyrrelser var bare betydelige nok til at få stoffet til at samle sig. Kæmpe klynger af protogalakser begyndte at danne sig. Protogalakserne modnet til galakser , store øer af gas og støv, der fødte milliarder af stjerner. Omkring nogle af disse stjerner, tyngdekraften trak sammen sten, is og andre materialer til dannelse af planeter. På mindst en af ​​disse planeter, livet udviklede sig, omkring 11 milliarder år efter, at big bang startede det hele.

I dag, universet fortsætter med at ekspandere, og astronomer har beviser for at bevise det. Næste, vi vil undersøge nogle af disse beviser.

Bevis for Big Bang

Hvis big bang -teorien er korrekt, så burde astronomer være i stand til at registrere universets ekspansion. Edwin Hubble, navnebror til Hubble -rumteleskopet, var en af ​​de første forskere, der observerede og målte denne ekspansion. I 1929, han studerede spektre , eller regnbuer, af fjerne galakser ved at lade lyset fra disse objekter passere gennem et prisme på hans teleskop. Han bemærkede, at lys fra næsten alle galakser blev flyttet til den røde ende af spektret. For at forklare observationen, vendte han sig mod Doppler -effekt , et fænomen, som de fleste forbinder med lyd. For eksempel, da en ambulance nærmer os på gaden, sirenens tonehøjde synes at stige; som det går, banen falder. Dette sker, fordi ambulancen enten indhenter de lydbølger, den skaber (øget tonehøjde) eller bevæger sig væk fra dem (nedsat tonehøjde).

Hubble begrundede, at lysbølger skabt af galakser opførte sig på samme måde. Hvis en fjern galakse skyndte sig mod vores galakse, argumenterede han, den ville bevæge sig tættere på de lysbølger, den producerede, hvilket ville reducere afstanden mellem bølgetoppe og flytte dens farve til den blå ende af spektret. Hvis en fjern galakse skyndte sig væk fra vores galakse, den ville bevæge sig væk fra lysbølgerne, den skabte, hvilket ville øge afstanden mellem bølgetoppe og flytte dens farve til den røde ende af spektret. Efter at han konsekvent havde observeret rødforskydninger, Hubble udviklede det, vi kalder Hubbles lov :Galakser bevæger sig væk fra os med en hastighed, der er proportional med deres afstand til Jorden.

I dag, rødforskydningen af ​​fjerne himmellegemer står som et stærkt bevis på, at universet ekspanderer. Men alt, hvad der udvider sig, må til sidst stoppe, ret? Vil universet ikke, ligesom en bold kastet ind i himlen, nå et maksimalt ekspansionspunkt, stoppe og derefter begynde at falde tilbage til, hvor det startede? Som vi ser næste gang, det er et af tre mulige scenarier.

Stærkt bevis for big bang kommer også fra den kosmiske mikrobølge baggrund (CMB) stråling. Disse mikrobølger er den samme slags, du bruger til at lave mad i dit køkken, bortset fra at de er spredt over hele universet. Faktisk, de er så jævnt spredt i rummet, at astronomer nu tror, ​​at CMB -strålingen er ekkoet af big bang, den døende gisp af eksplosionen, der fødte det kosmos, vi kender i dag.

Ud over Big Bang

Næsten alle astronomer accepterer, at universet ekspanderer. Hvad der derefter sker, er det virkelige mysterium. Heldigvis der er kun tre reelle muligheder:Universet kan være åbent, flad eller lukket.

Åbent univers. I dette scenario, universet vil ekspandere for evigt, og som det gør, sagen den indeholder vil spredes tyndere og tyndere. Til sidst, galakser vil løbe tør for de råvarer, de har brug for til at lave nye stjerner. Stjerner, der allerede findes, vil langsomt slukke, som døende gløder. I stedet for brændende vugger, galakser vil blive kister fyldt med støv og døde stjerner. På det tidspunkt, universet bliver mørkt, koldt og, desværre for os, livløs.

Fladt univers . Forestil dig en marmor, der ruller på en uendelig lang træoverflade. Der er lige nok friktion til at bremse marmoren, men ikke nok til at gøre det hurtigt. Marmoren ruller i lang tid, til sidst kører til et langsomt og blidt stop. Dette er, hvad der vil ske med et fladt univers. Det vil forbruge al energien fra big bang og, når ligevægt, kysten standser langt ud i fremtiden. På mange måder, dette er bare en variation af det åbne univers, fordi det vil tage, bogstaveligt talt, for evigt for universet at nå ligevægtspunktet.

Lukket univers . Bind den ene ende af en elastikledning til dit ben, den anden ende til skinnen på en bro og derefter springe af. Du accelererer hurtigt nedad, indtil du begynder at strække snoren. Når spændingen stiger, ledningen bremser gradvist din nedstigning. Til sidst, du stopper fuldstændigt, men bare et sekund som ledningen, strakt til sit yderste, rykker dig tilbage mod broen. Astronomer tror, ​​at et lukket univers vil opføre sig nogenlunde på samme måde. Dens ekspansion vil bremse, indtil den når en maksimal størrelse. Så vil det rekylere, falder sammen på sig selv. Som det gør, universet bliver tættere og varmere, indtil det ender i en uendelig varm, uendelig tæt singularitet.

Et lukket univers vil føre til en stor knase - det modsatte af big bang. Men hvad er oddsene for, at et lukket univers er mere sandsynligt end et åbent eller fladt univers? Astronomer er begyndt at komme med nogle veluddannede gæt.

Tyngdekraft vs. udvidelse

For at afgøre, om universet vil ekspandere for evigt, kyst til stop eller kollaps i sig selv, astronomer skal beslutte, hvilken af ​​to modsatrettede kræfter, der vinder en kosmisk tovtrækkeri. En af disse kræfter er bangdelen af ​​big bang - eksplosionen, der katapulterede universet udad i alle retninger. Den anden kraft er tyngdekraften, træk det ene objekt udøver på et andet. Hvis tyngdekraften i universet er stærk nok, det kunne regere i ekspansionen og få universet til at trække sig sammen. Hvis ikke, universet vil fortsætte med at ekspandere for evigt.

Selvom astronomer ved, at universet ekspanderer, de kan ikke præcist måle kraften, der er ansvarlig for ekspansionen. I stedet, de forsøger at måle densiteten af ​​universet. Jo højere densitet, jo større tyngdekraft. Anvendelse af denne logik, der skal være en tæthedstærskel - en kritisk grænse - der afgør, om tyngdekraften i universet er stærk nok til at standse ekspansionen og rulle alt ind igen. Hvis tætheden er større end den kritiske grænse, så vil universet stoppe med at ekspandere og begynde at trække sig sammen. Hvis det er mindre end den kritiske grænse, så vil universet ekspandere for evigt. Astronomer repræsenterer dette matematisk med følgende ligning:

Ω =faktisk gennemsnitlig densitet/kritisk densitet

Hvis omega (Ω) er større end 1, så vil universet blive lukket. Hvis det er mindre end 1, universet vil være åbent. Og hvis det er lig med 1, universet vil være fladt. Baseret på den sag, vi kan se, såsom galakser, stjerner og planeter, universets tæthed synes at være under den kritiske værdi. Dette ville foreslå et åbent univers, der vil ekspandere for evigt. Men kosmologer tror, ​​at der er en anden form for stof, der ikke kan ses. Det her mørkt stof kan stå for meget mere af universet end almindeligt, synligt stof og kan have tyngdekraften nok til at stoppe, og derefter vende tilbage, udvidelsen.

For nylig, astronomer har foretaget nogle observationer, der indikerer, at der er et andet usynligt materiale i kosmos: mørk energi . Kunne mørk energi påvirke universets skæbne dybt?

Begrebet "big bang" startede som en joke - en nedsættende bemærkning fra astronomen Fred Hoyle. Men navnet stak og affødte en række nomenklatur knockoffs. Et univers, der udvides for evigt, vil give en "stor kulde" eller en "stor frysning". Et univers, der falder sammen til en singularitet og eksploderer udad igen, vil opleve en "stor knase" efterfulgt af et "stort hopp". Og et univers, der når ligevægt og ikke gør noget, bliver en "stor kedelse".

Mørk energis rolle

Ligesom astronomer kæmpede med virkningen af ​​mørkt stof, de fandt en opdagelse, der fik dem til at gå tilbage til tavlen igen. Opdagelsen kom i 1998, da verdens bedste teleskoper afslørede den type Ia supernovaer - døende stjerner, der alle har samme iboende lysstyrke- var længere væk fra vores galakse, end de burde have været. For at forklare denne observation, astronomer foreslog, at udvidelsen af ​​universet faktisk accelererer eller fremskynder. Men hvad ville få udvidelsen til at gå hurtigere? Er tyngdekraften ikke iboende i mørkt stof stærk nok til at forhindre en sådan ekspansion?

Det viser sig, der er mere til den kosmiske historie end tidligere antaget. Nogle kosmologer tror nu, at noget andet - noget lige så uforklarligt og ubemærket som mørkt stof - lurer i universet. De omtaler nogle gange disse usynlige ting som mørk energi . I modsætning til tyngdekraften, som trækker i universet og bremser dets ekspansion, mørk energi skubber på universet og arbejder på at fremskynde ekspansionen. Og der er meget af det. Astronomer vurderer, at universet kan være 73 procent mørk energi. Mørkt stof, de tror, udgør yderligere 23 procent, og almindeligt stof - de ting, vi kan se - udgør sølle 4 procent [kilde:Brecher]. Med sådanne tal og i betragtning af at mørk energi er en inflationskraft, det er let at se, hvordan den store knase aldrig kommer til at ske overhovedet.

Interessant nok, Albert Einstein forudsagde eksistensen af ​​mørk energi tilbage i 1917, da han forsøgte at afbalancere ligningerne for hans generelle relativitetsteori. Han kaldte det ikke mørk energi dengang. Han omtalte det som kosmologisk konstant og mærket det lambda i sine beregninger. Selvom han ikke kunne bevise det, Einstein mente, at der må være en frastødende kraft i universet for at sprede alt rundt så jævnt. Til sidst, han trak sig tilbage, kalder lambda sin største blunder.

Nu, forskere spekulerer på, om Einstein måske igen havde ret - medmindre, selvfølgelig, han tager fejl. Næste, vi vil undersøge, hvorfor nogle stadig holder den store knæk højt og hvorfor det måske ikke er universets afslutning, men en anden begyndelse.

Død og genfødsel

Klart, der er ikke noget let svar, når det kommer til at forudsige universets skæbne. Men lad os et øjeblik forestille os, at densiteten af ​​universet er over den kritiske værdi, der kræves for at stoppe ekspansionen. Dette ville føre til den store knase, hvilket på mange måder ville være som at trykke på tilbagespolingsknappen på en videobåndoptager. Da tyngdekraften i universet trak alt tilbage, galaksehobe ville komme tættere på hinanden. Derefter begyndte individuelle galakser at smelte sammen, indtil, efter milliarder af år, en mega-galakse ville dannes.

Inde i denne gigantiske gryde, stjerner ville smelte sammen, får alt rummet til at blive varmere end solen. Til sidst, stjerner eksploderer og sorte huller dukker op, langsomt først og derefter hurtigere. Da slutningen nærmede sig, de sorte huller ville suge alt omkring dem. Selv ville de på et tidspunkt samle sig for at danne et uhyrligt sort hul, der ville trække universet lukket som en snørepose. I slutningen, intet ville forblive, men en super-hot, super-tæt singularitet-frøet til et andet univers. Mange astronomer tror, ​​at frøet ville spire i et "stort hopp, "starter hele processen forfra.

Det er ikke den eneste teori. Et par kosmologer, ledet af Paul J. Steinhardt fra Princeton University og Neil Turok fra Cambridge University, har for nylig argumenteret for, at den store kulde og den store knase ikke udelukker hinanden. Deres model fungerer sådan:Universet begyndte med big bang, som blev efterfulgt af en periode med langsom ekspansion og gradvis ophobning af mørk energi. Det er her, vi er i dag. Hvad der derefter sker er meget spekulativt, men Steinhardt og Turok mener, at den mørke energi fortsat vil ophobes og, som det gør, vil stimulere kosmisk acceleration. Universet vil aldrig stoppe med at ekspandere, men vil sprede sig over billioner af år, strækker alt stof og energi til en sådan ekstrem, at vores ene univers vil blive adskilt i flere universer. Inde i disse universer, den mystiske mørke energi vil materialisere sig til normalt stof og stråling. Dette vil udløse endnu et stort brag - måske flere af dem - og endnu en ekspansionscyklus.

Hvis du er foruroliget over al denne snak om at knuse og udvide, du kan trøste dig med at vide, at universets skæbne ikke vil blive bestemt for milliarder, måske endda billioner, af år. Det giver dig masser af tid til at fokusere på ting, der er lidt mere sikre, såsom din egen fødselscyklus, vækst og død.

Oprindeligt udgivet:2. mar. 2009

Big Crunch Theory Ofte stillede spørgsmål

Hvad er tre mulige skæbner i universet?

Hvad er teorien om den store knase?

Er den store knase mulig?

Hvordan ender universet ifølge big crunch -teorien?

Hvad er den store afvisningsteori?

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer Big Bang -teorien
• Kan forskere genskabe big bang?
• Har rummet en form?
• Er der et hul i universet?
• Sådan fungerer Dark Matter
• Sådan fungerer sorte huller
• Sådan fungerer særlig relativitet
• Sådan fungerer stjerner
• Sådan fungerer lys

Flere store links

• NOVA Online:Runaway Universe
• Windows to the Universe:The Big Crunch
• WMAP:Universets skæbne
• NASA Beyond Einstein
• Marshall Space Flight Center:Dark Energy Video Release

Kilder

• Bær, Dana. "Smithsonian intim guide til kosmos." Madison Pressebog. 2004.
• Brecher, Kenneth. "Univers." World Book Multimedia Encyclopedia. 2004.
• Bucher, Martin A. og David N. Spergel. "Inflation i et univers med lav densitet." Videnskabelig amerikansk. Januar 1999.
• Genesis Search for Origins. "Kosmisk tovtrækning." (5. februar, 2009) genesismission.jpl.nasa.gov/educate/scimodule/Cosmogony/CosmogonyPDF /CosmicTugOfWarTG.pdf
• Hårdere, Ben. "Universet genfødes uendeligt i en ny model af kosmos." National Geographic News. 25. april kl. 2002. (5. februar, 2009) http://news.nationalgeographic.com/news/2002/04/0425_020425_universe.html
• Hawking, Stephen. "Den illustrerede en kort tidshistorie/universet i en nøddeskal." Bantam bøger. 1996.
• Lemonick, Michael D. "Før Big Bang." Opdag magasinet. 5. februar kl. 2004. (5. februar, 2009) http://discovermagazine.com/2004/feb/cover/?searchterm=big%20crunch
• Muir, Hazel. "Universet kan endnu kollapse i stor knæk." 6. september, 2002. (5. februar, 2009) http://www.newscientist.com/article/dn2759-universe-might-yet-collapse- in-big-crunch.html
• Musser, George. "Været der, Gjorde det. "Scientific American. Marts 2002.
• Peebles, P.James, David N. Schramm, Edwin L. Turner og Richard G. Kron. "Universets udvikling." Videnskabelig amerikansk. Oktober 1994.
• Perlmutter, Saul. "Supernovaer, Mørk energi, og det accelererende univers. "Fysik i dag. april 2003.
• Ronan, Colin A. "Univers:The Cosmos Explained." Quantum Books. 2007.
• Tarbuck, Edward J. og Frederick K. Lutgens. "Jord videnskab, "Ellevte udgave. Pearson Education, Inc. 2006.