Il destino ultimo dell'universo (ovvero la questione se l'universo sia destinato a finire, e in caso affermativo come e quando si concluderà la sua evoluzione) è un tema fortemente dibattuto nella storia dell'umanità. Nel contesto della scienza moderna, esistono diverse teorie in merito.
Fino a tempi piuttosto recenti, anche la visione scientifica dell'Universo era quella di un'esistenza eterna e senza cambiamenti. Dopo la scoperta di un Universo in espansione ad opera di Edwin Hubble all'inizio del XX secolo, la nozione di un inizio e, di conseguenza, di una fine fu all'improvviso soggetta all'investigazione scientifica.
Le teorie basate sul Big Bang possono essere divise in tre gruppi principali:
* quelle per cui, nonostante le osservazioni, l'Universo è eterno come prima si pensava: la teoria dello stato stazionario e l'Universo oscillante
* quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ma non avrà una fine vera e propria: la morte termica dell'Universo e il Big Rip (Grande Strappo)
* quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ed avrà una fine ben definita: il Big Crunch.
Il primo gruppo non è discusso in questo articolo, perché nega l'idea stessa di una fine dell'Universo. In queste teorie, qualche tipo di attività significativa può durare per sempre.
Tutte le teorie devono conciliarsi con la relatività generale, che fornisce uno sfondo teorico comune per le speculazioni cosmologiche. La maggior parte di queste teorie sono soluzioni delle equazioni della relatività generale, cambiando parametri come la densità media, la costante cosmologica, e così via.
Ruolo della forma dell'universo
Nel modello del Big Bang, il destino ultimo dell'universo dipende dalla sua forma, e dall'ammontare dell'energia oscura in esso presente.
La geometria dell'universo è determinata dal valore di Ω, sia questo minore, uguale o maggiore a 1.
Universo chiuso [modifica]
Se Ω>1, la geometria dello spazio è chiusa come la superficie di una sfera. La somma degli angoli di un triangolo è maggiore di 180 gradi e non esistono rette parallele; tutte le rette si incontrano ad un certo punto. La geometria di questo universo è, su larga scala, ellittica.
In un universo chiuso, mancando l'effetto repulsivo dell'energia oscura, la gravità fermerebbe l'espansione dell'universo, che inizierebbe quindi a collassare in un'unica singolarità (Big Crunch) analoga al Big Bang. Ad ogni modo, se l'universo contiene una grande massa di energia oscura (come suggerito da recenti scoperte), l'espansione può continuare indefinitamente - anche se Ω>1.
Universo aperto [modifica]
Se Ω<1, la geometria dello spazio è aperta, curva negativamente come la superficie di una sella. Gli angoli di un triangolo sommati danno un valore minore di 180 gradi, e le rette che non si incontrano non sono mai equidistanti; hanno un punto di distanza minima e continuano a separarsi. La geometria dell'universo è iperbolica.
Anche senza energia oscura, un universo curvo negativamente si espande indefinitamente, rallentando di poco il suo moto a causa della forza di gravità. Con l'energia oscura l'espansione non solo è continua, ma è pure in accelerazione. Le possibilità circa il destino ultimo di un universo aperto sono o la morte termica, o il Big Freeze, o il Big Rip, in cui l'accelerazione provocata dall'energia oscura diventa così forte che supera gli effetti delle forze gravitazionale, elettromagnetica e nucleare debole.
Universo piatto [modifica]
Se la densità media dell'universo è esattamente uguale alla densità critica, ovvero Ω=1, allora la geometria dell'universo è piatta: come nella geometria euclidea la somma degli angoli di un triangolo è di 180 gradi, e le parallele sono sempre equidistanti e non si incontrano mai.
Senza energia oscura, un universo piatto si espande per sempre ad un ritmo decrescente, raggiungendo asintoticamente lo zero. In presenza di energia oscura invece, l'espansione rallenta inizialmente, ma aumenta in seguito. Il destino ultimo di un universo piatto è simile a quello di un universo aperto: la morte termica, il Big Freeze o il Big Rip. La maggior parte dei dati astrofisici sono interpretati come parte di un universo piatto.
Teorie sulla fine dell'universo
Il destino dell'universo è determinato dalla densità dell'universo, come visto sopra. La maggior parte delle prove raccolte finora, basate su misurazioni della velocità d'espansione e della densità di massa, sostengono che l'universo non collasserà.
Big Freeze e morte termica
Il Big Freeze è uno scenario in cui la continua espansione provocherebbe un universo troppo freddo per sostenere la vita. Potrebbe avvenire nel caso di una geometria piatta o iperbolica, poiché tali sistemi sono condizioni necessaria per la continua espansione dell'universo.
Uno scenario simile è la morte termica, secondo la quale l'universo raggiungerebbe uno stato di massima entropia in cui tutto risulta essere omogeneo e non vi sono gradienti. Per esempio, questa è una possibile cronologia, basata sulle teorie fisiche contemporanee, di un universo aperto che va incontro ad una morte termica:
n.b. 10^6 = 1.000.000 (6 zeri) = 1 Milione
10^9 = 1.000.000.000 (9 zeri) = 1 Miliardo
* 10^14 anni: tutte le stelle si sono raffreddate
* 10^15 anni: tutti i pianeti si sono separati dalle stelle
* 10^19 anni: la maggior parte delle stelle si è separata dalle galassie
* 10^20 anni: le orbite di ogni tipo sono decadute a causa delle onde gravitazionali
* 10^31 anni: decadimento del protone, se le teorie di grande unificazione sono giuste
* 10^64 anni: i buchi neri stellari evaporano grazie al processo di Hawking
* 10^65 anni: tutta la materia è diventata un liquido allo zero assoluto
* 10^100 anni: i buchi neri supermassicci evaporano grazie al processo di Hawking
* 10^1500 anni: tutta la materia decade in ferro (se il protone non è decaduto prima)
* 10^100,000,000,000,000,000,000,000,000 anni (10^{10^{26}}): limite inferiore perché tutta la materia venga inglobata in buchi neri
* 10^10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 anni (10^{10^{76}}): limite superiore perché tutta la materia venga inglobata in buchi neri.
Big Rip: tempo infinito, vita finita
Nel 2003, la rivista americana New Scientist pubblicò un articolo di Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski e Nevin N. Weinberg in cui essi, in base ad alcune osservazioni, facevano l'ipotesi che la fine dell'universo possa avvenire come un "Big Rip" (Grande Strappo), che distruggerebbe la struttura fisica dell'universo.
In un universo aperto, la relatività generale prevede che questo avrà un'esistenza futura indefinita, ma che raggiungerà una condizione in cui la vita, come la intendiamo noi, non potrà esistere. In questo modello la costante cosmologica causa un'accelerazione del ritmo di espansione dell'universo. Portata all'estremo, un'espansione costantemente accelerata significa che ogni oggetto fisico dell'Universo, a partire dalle galassie per finire con gli esseri umani individuali, i batteri e i granelli di sabbia, sarà alla fine fatto a pezzi e quindi ridotto a particelle elementari non legate tra loro. Lo stato finale sarà un gas di fotoni, leptoni e protoni (o solo i primi due se gli ultimi decadono) che diventerà sempre meno denso.
Big Crunch: tempo finito, vita finita
La teoria del Big Crunch è una visione simmetrica della vita dell'Universo. Così come il Big Bang ha iniziato un'espansione cosmologica, questa teoria suppone che la densità media dell'Universo sia sufficiente a fermare l'espansione e ad iniziare una contrazione cosmica.
Non si sa bene quale sarebbe il risultato: una semplice estrapolazione vedrebbe tutta la materia e lo spazio-tempo dell'Universo collassare in un punto matematico, una singolarità gravitazionale adimensionale, ma a queste scale occorrerebbe considerare gli effetti della meccanica quantistica, ignorati dalla relatività generale. Alcuni usano quest'opportunità per postulare un universo oscillante, che inizia di nuovo ad espandersi (vedi anche: Gravità quantistica).
Questo scenario non elimina la teoria che il Big Bang fosse preceduto da un Big Crunch di un universo precedente. Se ciò avviene ripetutamente si ha un universo oscillante. L'universo potrebbe quindi consistere di un'infinita sequenza di universi finiti, ognuno dei quali finito con un Big Crunch coincidente con il Big Bang del successivo. Sarebbe a questo punto inutile distinguere un Big Bang da un Big Crunch, e si parlerebbe di singolarità ricorrenti.
Multiverso: nessuna vera fine
Lo scenario del multiverso (o dell'universo parallelo) vuole che, mentre il nostro universo sia di durata finita, questo sia uno di tanti universi. La fisica del multiverso potrebbe permettere a questo di esistere indefinitamente. In particolare, altri universi potrebbero essere soggetti a leggi fisiche diverse a quelle del nostro universo.
