Номер 2, страница 210, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 12. Строение и эволюция вселенной. Параграф 113. Рождение и эволюция Вселенной. Вопросы и задания - номер 2, страница 210.

Условие.

2. Каковы возможные варианты будущего Вселенной?

Решение.

Будущее Вселенной является одной из центральных тем в космологии и зависит от множества факторов, в первую очередь от её геометрии, средней плотности вещества и энергии, а также от свойств тёмной энергии. Существует несколько основных гипотетических сценариев.

Тепловая смерть Вселенной (Большое Замерзание)

Это наиболее вероятный сценарий, согласно современным наблюдениям, которые указывают на ускоренное расширение Вселенной. Он реализуется, если Вселенная будет продолжать расширяться вечно. Плотность энергии тёмной энергии (космологической постоянной) остаётся постоянной, в то время как плотность материи и излучения уменьшается из-за расширения. В результате расширение будет продолжаться с ускорением.
С течением времени (сотни миллиардов и триллионы лет) произойдут следующие события:
1. Галактики разлетятся так далеко друг от друга, что станут ненаблюдаемыми.
2. Запасы газа в галактиках иссякнут, и звездообразование прекратится.
3. Существующие звёзды выгорят, превратившись в белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.
4. Планеты будут сорваны со своих орбит или поглощены звёздными остатками.
5. Через гигантские промежутки времени (более $10^{37}$ лет), согласно некоторым теориям Великого объединения, протоны распадутся, и обычное вещество перестанет существовать.
6. Чёрные дыры медленно испарятся за счёт излучения Хокинга (время испарения сверхмассивной чёрной дыры может достигать $10^{100}$ лет).
В итоге Вселенная превратится в холодное, тёмное и практически пустое пространство, заполненное разреженным газом фотонов, нейтрино и других элементарных частиц, достигнув состояния максимальной энтропии.
Ответ: В сценарии Тепловой смерти Вселенная будет вечно расширяться, постепенно остывая и становясь пустой, пока не достигнет состояния термодинамического равновесия с максимальной энтропией.

Большое Сжатие (Big Crunch)

Этот сценарий был популярен до открытия тёмной энергии. Он предполагает, что гравитационное притяжение всей материи во Вселенной в конечном итоге остановит расширение и обратит его вспять. Это произойдёт, если средняя плотность Вселенной ($\rho$) окажется больше некоторой критической плотности ($\rho_{crit}$), то есть параметр плотности $\Omega = \rho / \rho_{crit} > 1$. В этом случае геометрия Вселенной замкнутая (сферическая).
Процесс будет выглядеть как Большой Взрыв в обратном порядке:
1. Галактики начнут сближаться.
2. Температура и плотность Вселенной будут расти.
3. Структуры, такие как звёзды и галактики, будут разрушены.
4. В конечном итоге вся материя и энергия сожмутся в одну точку — сингулярность, подобную той, с которой, предположительно, началась Вселенная.
Современные данные указывают, что плотность материи недостаточна для Большого Сжатия, но этот сценарий мог бы реализоваться, если свойства тёмной энергии изменятся в будущем.
Ответ: В сценарии Большого Сжатия расширение Вселенной сменится сжатием, и она коллапсирует в сингулярность.

Большой Разрыв (Big Rip)

Этот сценарий возможен, если тёмная энергия является так называемой "фантомной энергией". В отличие от космологической постоянной, плотность фантомной энергии со временем не остаётся постоянной, а возрастает. Это приводит к экспоненциально ускоряющемуся расширению.
Сила этого "антигравитационного" отталкивания будет нарастать до тех пор, пока не начнёт преодолевать все остальные силы природы:
1. Сначала будут разорваны скопления галактик.
2. Затем гравитация не сможет удерживать сами галактики, и они распадутся.
3. После этого будут разрушены звёздные системы, включая нашу Солнечную систему.
4. В последние минуты перед разрывом планеты и звёзды будут разорваны на части.
5. В конечном итоге будут разорваны атомы и даже атомные ядра.
Вселенная прекратит своё существование, когда сам пространственно-временной континуум будет разорван. Этот сценарий требует, чтобы параметр уравнения состояния тёмной энергии $\text{w}$ был меньше -1. Текущие наблюдения не исключают, но и не подтверждают такую возможность.
Ответ: В сценарии Большого Разрыва ускоренное расширение разорвёт все связанные структуры во Вселенной, от галактик до атомов.

Большой Отскок (Big Bounce) и циклические модели

Этот сценарий является развитием идеи Большого Сжатия. Он предполагает, что Вселенная не заканчивается в сингулярности, а, достигнув минимального размера, "отскакивает" и начинает новый цикл расширения. Это могло бы означать, что наша Вселенная является лишь одним из эпизодов в бесконечной цепи рождений и смертей вселенных.
Механизмы, предотвращающие коллапс в сингулярность, ищут в теориях квантовой гравитации, таких как теория струн или петлевая квантовая гравитация. В этих теориях при сверхвысоких плотностях и температурах начинают действовать новые физические законы, которые приводят к отталкиванию вместо притяжения.
Ответ: Сценарий Большого Отскока предполагает циклическую модель, в которой за сжатием Вселенной следует новый Большой Взрыв, и так до бесконечности.