Niente è eterno. E anche il nostro universo, ovviamente, morirà. Si dice che sarà un'eterna espansione e, alla fine, la morte per entropia. L'universo si sta espandendo e l'entropia sta crescendo e continuerà a crescere fino a quando tutto ciò che abbiamo di caro muore. Ma questo è un sentimento, e noi siamo scienziati umani, quindi ci chiediamo come sarà la fine dell'universo? Da cosa sarà accompagnato? No, beh, curioso.
Non ci saranno più stelle nel cielo notturno
Tra 150 miliardi di anni, il cielo notturno sulla Terra avrà un aspetto molto diverso. Man mano che l'universo tende alla sua morte termica, lo spazio si espande più velocemente della velocità della luce. Sappiamo che la velocità della luce è il limitatore di velocità rigido per tutti gli oggetti nell'universo. Ma questo si applica solo agli oggetti che si trovano nello spazio, non al tessuto dello spaziotempo stesso. È difficile da capire al volo, ma il tessuto dello spaziotempo si sta già espandendo più velocemente della velocità della luce. E in futuro ciò comporterà strane conseguenze.
Poiché lo spazio stesso si espande più velocemente della luce, esiste un orizzonte cosmologico. Qualsiasi oggetto che vada oltre questo orizzonte ci richiederà di essere in grado di osservare e registrare dati su di esso utilizzando particelle che viaggiano più velocemente della luce. Ma non ci sono tali particelle. Non appena gli oggetti lasciano l'orizzonte cosmologico, diventano inaccessibili per noi. Qualsiasi tentativo di contattare o interagire con galassie lontane oltre questo orizzonte richiederà da noi una tecnologia in grado di muoversi più velocemente dell'espansione dello spazio stesso. Finora, solo pochi oggetti sono al di fuori del nostro orizzonte cosmologico. Ma poiché l'energia oscura accelera l'espansione, tutto sarà alla fine fuori dalla portata dei nostri occhi.
Cosa significa questo per la Terra? Immagina di guardare in alto nel cielo notturno tra 150 miliardi di anni. L'unica cosa che si vedrà sono alcune stelle che rimangono nell'orizzonte cosmologico. Alla fine se ne andranno anche loro. Il cielo notturno sarà completamente limpido, come la tabula rasa. Gli astronomi del futuro non saranno in grado di dimostrare che ci sia un altro oggetto nell'universo. Tutte le stelle e le galassie che vediamo ora scompariranno. Per noi, solo il Sistema Solare rimarrà nell'intero Universo. È vero, è improbabile che la Terra sia all'altezza di questo, ma ne parleremo più avanti.
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La vita dopo la morte del Sole non scomparirà
Tutti sanno che le stelle non durano per sempre. La loro durata inizia con la loro formazione, continua per tutta la fase della sequenza principale (che rappresenta la maggior parte della vita della stella) e termina con la morte della stella. Nella maggior parte dei casi, le stelle si gonfiano fino a diverse centinaia di volte le loro dimensioni normali, terminando la fase della sequenza principale e con questo inghiottire tutti i pianeti che si avvicinano a loro.
Tuttavia, per i pianeti che orbitano attorno alla stella a grandi distanze (al di fuori della "linea di congelamento" del sistema), queste nuove condizioni possono effettivamente diventare abbastanza calde da sostenere la vita. Secondo un recente studio del Carl Sagan Institute della Cornell University, questa situazione in alcuni sistemi stellari potrebbe durare miliardi di anni e portare all'emergere di forme completamente nuove di vita extraterrestre.
In circa 5,4 miliardi di anni, il nostro Sole uscirà dalla fase della sequenza principale. Avendo esaurito l'idrogeno nel nucleo, le ceneri di elio inerte che vi si raccoglieranno diventeranno instabili e collasseranno sotto l'influenza del loro stesso peso. Ciò porterà al fatto che il nucleo si riscalda e diventa più denso, il che, a sua volta, porterà ad un aumento delle dimensioni del Sole: la stella entrerà nella fase del "ramo delle giganti rosse".
Questo periodo inizierà quando il nostro Sole diventerà una subgigante e raddoppierà lentamente di dimensioni in circa un miliardo e mezzo di anni. Si espanderà a un ritmo più veloce per il prossimo mezzo miliardo di anni, fino a quando non sarà 200 volte la sua dimensione attuale e diverse migliaia di volte più luminoso. Quindi diventerà ufficialmente una gigante rossa e il suo diametro sarà di circa 2 UA. e. - Il sole andrà oltre l'attuale orbita di Marte.
Ovviamente, la Terra non sopravviverà all'apparizione di una gigante rossa nel sistema solare, come Mercurio, Venere o Marte. Ma oltre la linea di congelamento, dove fa abbastanza freddo da permettere ai composti volatili - acqua, ammoniaca, metano, anidride carbonica e monossido di carbonio - di rimanere congelati, ci saranno giganti gassosi, giganti del ghiaccio e pianeti nani. E inizierà un disgelo totale.
In breve, quando una stella si espande, la sua "zona abitabile" farà lo stesso, coprendo le orbite di Giove e Saturno. Quando ciò accade, un luogo precedentemente disabitato - come le lune di Giove e Saturno - potrebbe improvvisamente diventare residenziale. Lo stesso vale per molte altre stelle dell'Universo, che sono destinate a diventare giganti rosse man mano che crescono e muoiono.
Quando il nostro Sole raggiungerà la fase rossa del ramo gigante, avrà solo 120 milioni di anni di vita attiva. Questa volta non è sufficiente per l'apparire e lo sviluppo di nuove forme di vita che possono diventare veramente complesse (come gli esseri umani e altre specie di mammiferi). Ma secondo uno studio recentemente pubblicato su The Astrophysical Journal, alcuni pianeti vicini ad altre giganti rosse nel nostro universo possono rimanere abitati per molto più tempo, fino a nove miliardi di anni o più in alcuni casi.
Per farti capire, nove miliardi di anni è il doppio dell'età attuale della Terra. Partendo dal presupposto che i mondi che ci interessano avranno la giusta composizione di elementi, avranno tempo sufficiente per dare origine a nuove complesse forme di vita. L'autore principale dello studio, la professoressa Lisa Kaltenneger, è anche il direttore del Carl Sagan Institute. Sa in prima persona come cercare la vita nell'universo:
“Quando una stella diventa più vecchia e più luminosa, la zona abitabile si sposta verso l'esterno e stai essenzialmente assistendo a una seconda vita per il sistema planetario. Attualmente, gli oggetti nelle regioni esterne sono congelati nel nostro sistema solare, come Europa ed Encelado, le lune di Giove e Saturno. Dopo che il nostro Sole giallo si sarà espanso abbastanza da diventare una gigante rossa e trasformare la Terra in un deserto arido, ci saranno ancora regioni nel nostro sistema solare - e anche in altri sistemi - dove la vita potrebbe fiorire.
Quando una stella si espande, perde massa e la spinge verso l'esterno sotto forma di vento solare. I pianeti che orbitano vicino a una stella o hanno una bassa gravità superficiale possono perdere la loro atmosfera. D'altra parte, i pianeti con massa sufficiente (o situati a una distanza di sicurezza) possono preservare questa atmosfera. Nel contesto del nostro sistema solare, ciò significa che in pochi miliardi di anni mondi come Europa ed Encelado (che potrebbero già avere la vita in agguato sotto i gusci di ghiaccio) potrebbero diventare un paradiso per la vita.
Il nostro Sole diventerà una nana nera
Al momento, il nostro universo ha molti diversi tipi di stelle. Le nane rosse - stelle fredde che emettono luce rossa - sono tra le più comuni. Ci sono anche molte nane bianche nell'universo. Questi sono i resti stellari di stelle morte, composti da materia degenerata tenuta insieme da effetti quantistici. Attualmente, gli astronomi ritengono che le nane bianche abbiano una durata di vita quasi infinita. Ma dopo un certo tempo, anche loro moriranno e diventeranno stelle esotiche: nane nere.
Un simile destino attende anche il nostro Sole. In un lontano futuro, il nostro Sole espellerà i suoi strati esterni e si trasformerà in una nana bianca che rimarrà per miliardi di anni. Ma un giorno, anche le nane bianche inizieranno a raffreddarsi. Dopo 10 anni (fino a una potenza di 100), si raffredderanno fino a raggiungere una temperatura pari alla temperatura della radiazione di fondo a microonde, pochi gradi sopra lo zero assoluto.
Quando ciò accadrà, la nostra stella diventerà una nana nera. Poiché questo tipo di stella è così freddo, sarà invisibile all'occhio umano. Per chiunque cerchi di trovare il Sole che ci ha dato la vita, sarà impossibile farlo utilizzando sistemi ottici. Dovrà cercarlo per effetti gravitazionali. La maggior parte delle stelle che vediamo nel cielo notturno diventeranno nane nere (un altro motivo per cui il cielo notturno diventerà chiaro). Ma per il nostro caldo sole è particolarmente offensivo.
Stelle strane
Quando il nostro Sole diventa una nana nera, l'evoluzione stellare è già stata completata. Non nasceranno nuove stelle. Invece, l'universo sarà inondato da freddi resti di stelle. E questo consentirà all'Universo di iniziare a creare strane stelle che sono significativamente diverse da ciò che conosciamo.
Uno di questi è una stella gelida o fredda. Quando le stelle nell'universo bruciano il loro combustibile nucleare, aumentano la loro metallicità. In astronomia, è una misura degli elementi in una stella che sono più pesanti dell'elio, praticamente tutti gli elementi, a partire dal litio. Man mano che la metallicità di una stella aumenta, diventano più fredde poiché gli elementi più pesanti rilasciano meno energia durante la fusione. Infine, le stelle diventeranno così fredde da avere una temperatura di 0 gradi, il punto di congelamento dell'acqua.
Guardando oltre nel futuro, ci sarà una star ancora più strana. Tra circa 10 anni (fino a 1500) nel futuro, l'entropia avrà il suo pedaggio e l'universo sarà essenzialmente morto. In questi tempi freddi, gli effetti quantistici governeranno l'universo.
Il tunneling quantistico permetterà agli elementi leggeri di essere sintetizzati in una forma instabile di ferro. A sua volta, decadrà in un isotopo più stabile, emettendo una debole quantità di energia. Queste stelle di ferro saranno l'unica forma di stella possibile in questo momento. Ma si trovano solo in modelli in cui gli astronomi non credono nel decadimento del protone, quindi questa idea non è la più popolare.
Tutti i nucleoni decadranno
Torniamo indietro da un punto di 10 (alla potenza di 15) anni dopo il Big Bang a un punto di 10 (alla potenza di 34) anni. Se la razza umana non sarà morta a quel punto, certamente non sopravviveremo a questa era. Come accennato in precedenza, gli astronomi discutono costantemente sul fatto che il protone decadrà entro la fine dei tempi. Diciamo di sì.
I nucleoni sono particelle nel nucleo di un atomo, protoni e neutroni. È noto che i neutroni liberi decadono con un'emivita di 10 minuti. Ma i protoni sono incredibilmente stabili. Nessuno ha visto in prima persona il decadimento di un protone. Ma verso la fine dell'universo, tutto cambierà.
I fisici presumono che l'emivita di un protone sia di 10 anni (alla potenza di 37). Non abbiamo visto questo decadimento perché l'universo non è ancora abbastanza vecchio. Nell'epoca di decadimento (10 (alla 34a potenza) - 10 (alla 40a potenza) anni), i protoni inizieranno finalmente a decadere in positroni e pioni. Entro la fine dell'epoca di decadimento, tutti i protoni e neutroni nell'Universo si esauriranno.
Ovviamente, la vita nell'Universo inizierà ad avere problemi. Se assumiamo che la razza umana sia sopravvissuta al cambiamento del Sole e sia migrata verso parti più amichevoli dell'Universo, a un certo punto le leggi della fisica inizieranno a dettare la morte della razza umana. I nostri corpi e tutti gli oggetti interstellari sono fatti di nucleoni. Quando si disintegrano, qualsiasi vita finirà, poiché gli atomi stessi cesseranno di esistere. La vita non sarà in grado di continuare ad esistere in tali condizioni (e in una tale forma) e l'Universo si tufferà nell'era dei buchi neri.
I buchi neri inonderanno l'universo
Quando i nucleoni scompaiono, i buchi neri entreranno in legge e governeranno l'universo da 10 (alla potenza di 40) anni dopo il Big Bang a 10 (alla potenza di 100) anni. Da questo momento iniziamo a parlare di tempi così lunghi che è assolutamente impossibile capirli con la nostra mente. Dopo un tempo molto più lungo dell'attuale età dell'universo, i buchi neri rimarranno le uniche strutture.
Quando i nucleoni se ne vanno, le principali particelle subatomiche saranno i leptoni: elettroni e positroni. Alimenteranno i buchi neri. Assorbendo i resti di materia nell'Universo, i buchi neri stessi emetteranno particelle che riempiranno l'Universo di fotoni e ipotetici gravitoni. Ma i buchi neri sono destinati a morire, come ha deciso Stephen Hawking.
Secondo Hawking, i buchi neri evaporano a causa della loro radiazione. Quando si irradiano, perdono massa sotto forma di energia. Questo processo richiede molto tempo, quindi non ne sappiamo praticamente nulla. Perché un buco nero evapori completamente, devono passare 10 anni (alla potenza di 60), quindi questo processo non è ancora proseguito fino alla fine per un secolo del nostro Universo. Ma, come abbiamo detto, alla fine moriranno anche i buchi neri. Di loro rimarranno solo particelle prive di massa e pochi leptoni sparsi, che interagiranno pigramente e perderanno la loro energia.
Apparirà un atomo di un nuovo tipo
Con solo poche particelle subatomiche rimaste del nostro universo, potrebbe sembrare che non ci sia più nulla di cui parlare. Ma la vita può apparire anche in questo peggiore dei mondi.
Per anni, i ricercatori sulle particelle hanno parlato di positronio, il legame simile ad un atomo tra un positrone e un elettrone. Queste due particelle hanno cariche opposte. (Il positrone è l'antiparticella dell'elettrone). Pertanto, saranno attratti elettromagneticamente. Quando una coppia di tali particelle inizia a interagire, possono avere orbite rudimentali e comportamento atomico.
Poiché il positronio sarà raro, questo modello di "chimica" del positronio non può essere definito completo. Ma da questi strani "atomi" possono venire fuori cose molto curiose. In primo luogo, possono esistere in orbite giganti che coprono lo spazio interstellare. Finché due particelle interagiscono, saranno in grado di mantenere una coppia indipendentemente dalla distanza.
Durante l'era dei buchi neri, alcuni di questi "atomi" avranno diametri che coprono distanze maggiori del nostro attuale universo osservabile. Gli atomi di positronio composti da leptoni sopravvivranno al decadimento di un protone e passeranno attraverso l'era dei buchi neri. Inoltre, i buchi neri creeranno atomi di positronio nel processo di radiazione. Dopo un certo tempo, anche le coppie positone-elettrone decadranno. Ma prima di ciò, l'Universo può dare vita a una vita completamente indescrivibile.
Tutto rallenterà, anche il solo pensiero
Quando l'era dei buchi neri volge al termine e anche questi giganti stellari scompaiono nell'oscurità, solo poche cose rimarranno nel nostro universo, principalmente particelle subatomiche diffuse e gli atomi rimanenti di positronio. Dopodiché, tutto nell'Universo avverrà estremamente lentamente, qualsiasi evento può durare per eoni. Secondo alcuni fisici teorici, come Freeman Dyson, la vita potrebbe riapparire nell'universo in questo momento.
Dopo molto, molto tempo, l'evoluzione organica può iniziare a svilupparsi dal positronio. Le creature che appariranno saranno molto diverse da tutto ciò che sappiamo. Ad esempio, possono essere enormi, coprendo distanze interstellari. Dal momento che non è rimasto nient'altro nell'Universo, avranno dove voltarsi. Ma poiché queste forme di vita saranno enormi, penseranno molto più lentamente di noi. In effetti, possono volerci trilioni di anni perché una tale creatura crei anche un solo pensiero.
Può sembrare strano a noi, ma poiché queste creature esisteranno a intervalli di tempo enormi, un tale pensiero sarà istantaneo per loro. Esisteranno per un tempo incredibilmente lungo, guardando l'Universo volare oltre di loro. Ma sprofonderanno nell'oblio.
La fine della "macrofisica"
A questo punto, l'Universo raggiungerà quasi lo stato massimo di entropia, cioè diventerà un campo di energia omogeneo e diverse particelle subatomiche. Questo sarà dopo l'era dei buchi neri, molto più tardi dopo 10 (fino a 100) anni. Lo spazio si espanderà così tanto e l'energia oscura diventerà così potente che anche i buchi neri cesseranno di esistere e l'universo perderà oggetti enormi.
È difficile immaginare un simile universo. Pensaci: le stelle smetteranno di formarsi, perché le particelle subatomiche che compongono la materia saranno separate da distanze tali da non potersi incontrare in alcun modo, viaggiando alla velocità della luce. Anche gli atomi di positronio non possono apparire.
La fisica finirà. L'unico modello fisico che continuerà a funzionare sarà la meccanica quantistica. Gli effetti quantistici si verificheranno anche a enormi distanze interstellari, in un gigantesco lasso di tempo. Alla fine, la temperatura dell'universo scenderà allo zero assoluto: non ci sarà più energia da convertire in lavoro. In alcuni modelli, l'espansione dello spazio crescerà, lacerando lo spaziotempo. L'universo cesserà di esistere.
È possibile sfuggire a tutto questo?
Finora, il nostro viaggio alla fine dell'universo è stato accompagnato solo da eventi oscuri e deprimenti. Ma i fisici non perdono il loro ottimismo e delineano i possibili modi in cui l'umanità può sopravvivere alla fine dei tempi e persino riavviare il nostro universo.
Il modo più promettente per sfuggire al nostro universo con la massima entropia è usare i buchi neri fino a quando il decadimento dei fotoni rende la vita impossibile. I buchi neri rimangono oggetti molto misteriosi, ma i teorici propongono di usarli per entrare in nuovi universi.
La teoria moderna suggerisce che gli universi delle bolle nascono costantemente nel nostro universo, formando nuovi universi con la materia e la possibilità della vita. Hawking crede che i buchi neri possano essere le porte d'accesso a questi nuovi universi. Ma c'è un problema. Una volta attraversato il confine del buco nero, non è più possibile tornare indietro. Pertanto, se l'umanità decide di andare in un buco nero, sarà un viaggio di sola andata.
Per prima cosa, devi trovare un buco nero rotante abbastanza massiccio da sopravvivere al viaggio attraverso l'orizzonte degli eventi. Contrariamente alla credenza popolare, i buchi neri massicci sono più sicuri da attraversare. I viaggiatori spaziali del futuro potrebbero sperare che il viaggio non finisca male, ma non saranno in grado di contattare i loro amici da questa parte del buco nero e informarli del risultato. Ogni corsa sarà un atto di fede.
Ma c'è un modo per assicurarci che un nuovo universo ci aspetti dall'altra parte. Secondo Alan Guth, il neonato Universo ha bisogno solo di 10 (alla potenza di 89) protoni, 10 (alla potenza di 89) elettroni, 10 (alla potenza di 89) positroni, 10 (alla potenza di 89) neutrini, 10 (alla potenza di 89) antineutrini, 10 (alla potenza di 79) protoni e 10 (alla potenza di 79) neutroni per l'inizio. Può sembrare molto, ma in totale non è altro che un mattone.
Gli esseri umani del futuro potrebbero generare un falso vuoto - una regione dello spazio con un potenziale di espansione - utilizzando un campo gravitazionale super forte. In un lontano futuro, gli esseri umani avrebbero potuto acquisire la tecnologia per creare un falso vuoto e avviare il proprio universo. Poiché l'inflazione iniziale dell'universo dura una frazione di secondo, il nuovo universo si espanderà istantaneamente e diventerà una nuova casa per gli umani. Un rapido salto nel wormhole e siamo salvi.
Il tunneling quantistico casuale potrebbe riavviare l'universo
Cosa succederà all'universo che ci siamo lasciati alle spalle? Dopo un po 'raggiungerà finalmente la sua massima entropia e diventerà completamente inabitabile. Ma anche in questo universo morto, la vita avrà una possibilità. I ricercatori in meccanica quantistica sono consapevoli dell'effetto del tunneling quantistico. Questo è quando una particella subatomica può entrare in uno stato energetico che è impossibile classicamente.
Nella meccanica classica, ad esempio, la palla non può sollevarsi e rotolare spontaneamente su una collina. Questo è uno stato energetico proibito. Le particelle elementari hanno anche stati energetici proibiti dal punto di vista della meccanica classica, ma la meccanica quantistica capovolge tutto. Alcune particelle possono "tunnel" in questi stati energetici.
Questo processo sta già avvenendo nelle stelle. Ma quando applicato alla fine dell'universo, sorge una strana possibilità. Le particelle nella meccanica statistica classica non possono passare da uno stato di entropia superiore a uno inferiore. Ma con il tunneling quantistico, possono e lo faranno. I fisici Sean Carroll e Jennifer Chen hanno proposto l'idea che dopo un certo tempo, il tunneling quantistico può ridurre spontaneamente l'entropia in un universo morto, portare a un nuovo Big Bang e riavviare l'universo. Ma non trattenere il respiro. Affinché avvenga una diminuzione spontanea dell'entropia, è necessario attendere 10 (alla potenza di 10) ^ (alla potenza di 10) ^ (alla potenza di 56) anni.
C'è un'altra teoria che ci dà speranza per un nuovo universo, questa volta dai matematici. Nel 1890, Henri Poincaré pubblicò il suo teorema di ricorrenza, secondo il quale, dopo un tempo incredibilmente lungo, tutti i sistemi tornano a uno stato molto vicino al loro stato originale. Questo vale anche per la termodinamica, in cui fluttuazioni termiche casuali in un universo con elevata entropia possono far sì che ritorni al suo stato originale, dopodiché tutto ricomincerà. Il tempo passerà e l'universo potrà formarsi di nuovo e le creature che vi vivranno non avranno la minima idea di vivere nel nostro universo.
ILYA KHEL
