Ako Svemir shvaćate kao sveobuhvatni materijal i energiju kakvu poznajemo, a u ranim fazama se sve to savilo u sićušno područje prostora, zašto se onda nije srušio u crnu rupu? (Biblioteke u Birminghamu)

Zbog toga se naš Svemir nije srušio u crnu rupu

Ako je sve bilo vruće, gusto i super blisko zajedno na Velikom prasku, što nas je spriječilo da se srušimo u jednoličnost?

Veliki prasak jedna je od najkontinuantnijih ideja vani. Ako razmišljate o tome da uzmete svu materiju i energiju u Svemir i pokrenete ga u malom prostoru prostora, ne čini li se malo vjerojatnim da bi se proširio točnom brzinom potrebnom da nam pruži Univerzum kakav danas vidimo? Ne bi li bilo mnogo vjerojatnije da će se gravitacijski srušiti gravitacijski, u najgušći tip objekta koji Univerzum može sadržavati: crnu rupu? Jasno, to se nije dogodilo. Ali razumijevanje zašto se to nije dogodilo moglo bi biti samo jedno od najdubljih pitanja koje možete postaviti kako biste shvatili Univerzum u kojem živimo.

Svemir koji se širi, pun galaksija i složena struktura koju danas promatramo, nastala je iz manjeg, vrelijeg, gušćeg, ujednačenijeg stanja. Zašto se Svemir proširio kao i prije, umjesto da se srušio u crnu rupu, traži objašnjenje. (C. Faucher-Giguère, A. Lidz i L. Hernquist, Science 319, 5859 (47))

Da ste, od prvih principa, znali da su zakoni fizike svuda i u svako doba našeg Univerzuma, to vam još uvijek ne bi bilo dovoljno da biste došli do predviđanja da bi Svemir trebao postojati. Budući da zakoni fizike postavljaju pravila kako se sustav razvija s vremenom, ipak treba skup početnih uvjeta za započinjanje. Na neki način, način na koji se tkanina Univerzuma širi u najranijim trenucima, možemo zamisliti da uravnoteži ovu tendenciju materije i energije da gravitiraju i propadaju. Da bismo vidjeli kako to sve radi, vratimo se na rođenje naše najuspješnije teorije gravitacije - opće relativnosti - prije nekih 100 godina.

Orbitu planeta i kometa, među ostalim nebeskim objektima, upravljaju zakoni univerzalne gravitacije. (Kay Gibson, Ball Aerospace & Technologies Corp)

Prije Einsteina, prihvaćena teorija gravitacije bila je Newtonov zakon univerzalne gravitacije. Sve gravitacijske pojave u Svemiru, od ubrzavanja masa na Zemlji do orbita Mjeseca oko planeta do planeta koji se okreću oko Sunca, njegova teorija to je sve opisala. Objekti su jedan na drugoga izvršavali jednake i suprotne gravitacijske sile, ubrzavali su u obrnutoj proporciji s njihovom masom, a sila se pokoravala zakonu obrnutog kvadrata. S vremenom 1900-te godine, to je bilo nevjerojatno dobro testirano, i nije bilo izuzetaka. Pa, s tisućama i tisućama uspjeha u njegovoj zasluzi, u svakom slučaju gotovo da i nije bilo izuzetaka.

Jedan izazov Newtonovoj teoriji bila je ideja koju je izneo Einstein, ali prethodno su je izgradili Lorentz, Fitzgerald i drugi, a koji su se brzo kretali predmeti činili da se sažima u prostoru i šire se u vremenu. Prostor i vrijeme, odjednom, nisu izgledali tako fiksirano i apsolutno. (Curt Renshaw)

No, pronicljivim i onima koji su veliku pozornost posvetili detaljima, bilo je nekoliko problema:

  1. Pri vrlo velikim brzinama - tj. Pri brzinama koje se približavaju brzini svjetlosti - Newtonove ideje o apsolutnom prostoru i apsolutnom vremenu više nisu držale. Radioaktivne čestice živjele su dulje, udaljenost dogovorena, a "masa" nije bila osnovni izvor gravitacije: ta čast izgledala je kao da ide u energiju, od čega masa samo jedan oblik.
  2. U najjačim gravitacijskim poljima - barem, ako se zbog toga vjeruje da je planet Merkur poseban među planetima našeg Sunčevog sustava u orbiti oko Sunca - Newtonovo predviđanje za gravitacijsko ponašanje objekata malo je, ali primjetno, izvan onoga što promatramo. Izgleda da, kada se vrlo blizu vrlo masivnom izvoru, dogodi ekstraatrativna sila na koju Newtonova gravitacija ne uzima računa.

Nakon toga, dogodila su se dva razvoja koja su otvorila put novoj teoriji koja će zamijeniti Newtonovu sjajnu, ali stoljetnu koncepciju funkcioniranja svemira.

U Newtonovoj slici gravitacija, prostor i vrijeme su apsolutne, fiksne količine, dok je na Einsteinovoj slici prostor - vrijeme jedinstvena, ujedinjena struktura u kojoj su tri dimenzije prostora i jedna dimenzija vremena neraskidivo povezane. (NASA)

Prvi veliki razvoj događaja bio je da su prostor i vrijeme, prethodno tretirani kao zaseban trodimenzionalni prostor i linearna količina vremena, ujedinjeni u matematički okvir koji je stvorio četverodimenzionalno „svemirsko vrijeme“. To je 1907. Postigao Hermann Minkowski:

Pogledi na prostor i vrijeme koje želim položiti prije nego što ste isplivali iz tla eksperimentalne fizike i u tome leži njihova snaga. [...] I sada je prostor sam po sebi, a vrijeme samo po sebi, osuđeni na to da nestane u pukoj sjeni i samo će svojevrsno sjedinjenje njih dvoje sačuvati neovisnu stvarnost.

To je djelovalo samo za ravni, euklidski prostor, ali ideja je bila nevjerojatno snažna matematička, jer je dovela do svih zakona posebne relativnosti kao neizbježne posljedice. Kad se ova ideja o prostornom vremenu primijenila na problem orbite Merkura, Newtonovo predviđanje u ovom novom okviru približilo se promatranoj vrijednosti, ali još uvijek nije promaklo.

Prikaz ravnog, praznog prostora bez ikakve vrste, energije ili zakrivljenosti bilo koje vrste. (Amber Stuver, s njenog bloga, Living Ligo)

No drugi je razvoj potekao od samog Einsteina i bila je ideja da prostor u vremenu uopće nije ravan, već je zakrivljen. A upravo ono što je određivalo zakrivljenost prostora je bila prisutnost energije u svim njenim oblicima, uključujući i masu. Objavljen 1915. godine, Einsteinov je okvir bio nevjerojatno težak za izračunati, ali je svugdje predstavio znanstvenike s ogromnim potencijalom za modeliranje fizičkih sustava na novu razinu točnosti i preciznosti.

Prostorno vrijeme Minkowski-a odgovaralo je praznom Univerzumu, ili Univerzumu bez ikakve energije ili materije.

Izvedeno je bezbroj znanstvenih ispitivanja Einsteinove opće teorije relativnosti, podvrgavajući ideji nekim najstrožim ograničenjima koje je čovječanstvo ikad dobilo. Einsteinovo prvo rješenje bilo je ograničenje slabog polja oko jedne mase, poput Sunca; primijenio je te rezultate na naš Sunčev sustav s dramatičnim uspjehom. (Znanstvena suradnja LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT)

Einstein je uspio pronaći rješenje u kojem ste imali Svemir s jednim jedinim izvorom mase samotne točke, i pod uvjetom da ste izvan te točke. To se svelo na Newtonovo predviđanje na velikim daljinama, ali je davalo jače rezultate na bližim udaljenostima. Ovi se rezultati ne slažu samo s opažanjima Merkurove orbite koju Newtonova gravitacija nije uspjela predvidjeti, već su i nova predviđanja o odstupanju zvijezde koja će biti vidljiva tijekom potpunog pomračenja Sunca, predviđanja koja su kasnije potvrđena za vrijeme pomračenja Sunca 1919.

Rezultati ekspedicije Eddington iz 1919. pokazali su, na kraju, da je Opća teorija relativnosti opisala savijanje zvijezde oko masivnih objekata, svrgavajući Newtonovu sliku. (Ilustrirane londonske vijesti, 1919.)

No postojalo je još jedno rješenje - iznenađujuće i zanimljivo - koje je nastalo samo nekoliko tjedana nakon što je Einstein objavio svoju opću teoriju relativnosti. Karl Schwarzschild je razradio daljnje detalje o tome što se događa s konfiguracijom s jednom samotnom točkom mase proizvoljne veličine, a ono što je pronašao bilo je izvanredno:

  • Na velikim udaljenostima držalo se Einsteinovo rješenje, svodeći na Newtonove rezultate u granici dalekog polja.
  • Ali vrlo blizu mase - na vrlo specifičnoj udaljenosti (od R = 2M, u prirodnim jedinicama) - stižete do točke u kojoj ništa ne može pobjeći: horizont događaja.
  • Štoviše, unutar tog horizonta događaja, sve što se neizostavno uruši srušilo se na središnju singularnost, što je neizbježno kao posljedica Einsteinove teorije.
  • I konačno, svaka početna konfiguracija nepomične prašine bez pritiska (tj. Materije koja ima nultu početnu brzinu i ne djeluje sama sa sobom), bez obzira na oblik ili raspodjelu gustoće, neizbježno će se srušiti do stacionarne crne rupe.

Ovo rješenje - Schwarzschildova metrika - bilo je prvo cjelovito, ne-trivijalno rješenje opće relativnosti ikad otkriveno.

Plameni paraboloid, prikazan ovdje, predstavlja zakrivljenost prostora i vremena izvan horizonta događaja Schwarzschiltove crne rupe. Jednom kad padnete unutra sve je gotovo; vaš je najbolji kladiti slobodni pad kao da ste pali iz odmora. Samo ta putanja će vam maksimirati vrijeme preživljavanja. (AllenMcC. Iz Wikimedia Commons)

Dakle, imajući to na umu, što je s vrućim, gustim, ranim Univerzumom, gdje je sva materija i energija koja se trenutno prostire na prostoru vrijednom oko 92 milijarde svjetlosnih godina, bila sadržana u volumenu prostora ne većem od vlastite Solarne sustava?

Veličina Svemira, u svjetlosnim godinama, u odnosu na vrijeme koje je prošlo od Velikog praska. Ovo je prikazano na logaritamskoj skali, s brojnim važnim događajima koji su zabilježeni radi jasnoće. (E. Siegel)

Ono na što morate razmišljati jest da je, baš poput Minkovskog u prostornom vremenu, Schwarzschildovo rješenje statično, što znači da se metrika prostora ne razvija s vremenom. Ali postoji i mnoštvo drugih rješenja - za Sitter prostor, za jedno, i za Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker metriju, za drugo - koji opisuju razmake vremena koji se ili proširuju ili ugovaraju.

Da smo započeli s materijom i energijom koju je naš Svemir imao u ranim fazama Velikog praska, i ne bismo imali Svemir koji se brzo širi, već statički, a onaj u kojem niti jedna čestica nije imala pritisak ili brzinom koja nije jednaka nuli, sva bi ta energija u vrlo kratkom vremenu stvorila Schwarzschildovu crnu rupu: praktički trenutno. Ali opća relativnost ima još jedan važan zaštitni znak: ne samo da prisutnost materije i energije određuje zakrivljenost vašeg svemirskog vremena, nego svojstva i evolucija svega u vašem prostoru određuje evoluciju samog prostora!

Grafikon prividne brzine ekspanzije (osi y) u odnosu na udaljenost (osi x) u skladu je sa Svemirom koji se proširio brže, ali se i danas širi. Ovo je moderna verzija, koja se proteže tisućama puta dalje od Hubbleovog izvornog djela. Različite krivulje predstavljaju svemire načinjene od različitih sastavnih dijelova. (Ned Wright, na temelju najnovijih podataka Betoule i sur. (2014))

Ono što je u ovom pogledu najznačajnije je da znamo, od trenutka Velikog praska pa nadalje, čini se da naš Svemir ima samo tri moguće opcije, ovisno o materiji i energiji prisutnoj u njemu i početnoj stopi širenja:

  • Brzina ekspanzije mogla je biti nedovoljno velika za količinu materije i energije prisutne u njoj, što znači da bi se Svemir proširio (vjerojatno kratko) vrijeme, dostigao maksimalnu veličinu, a zatim bi se ponovo pokrenuo. Netočno je reći da bi se srušila u crnu rupu (iako je ovo primamljiva misao), jer bi se i sam prostor srušio zajedno sa svom materijom i energijom, što bi dovelo do singularnosti poznate kao Big Crunch.
  • S druge strane, stopa ekspanzije mogla je biti prevelika za količinu materije i energije prisutne u njoj. U ovom slučaju, sva bi se materija i energija razdvajali brzinom prebrzom za gravitaciju da bi se sve komponente Svemira vratile natrag zajedno, a za većinu modela uzrokovalo bi da se Univerzum preširoko proširio da bi ikad stvorio galaksije, planete, zvijezde, ili čak atomi ili atomska jezgra! Svemir u kojem je stopa ekspanzije bila prevelika za količinu materije i energije sadržane u njemu, doista bi bilo pusto, prazno mjesto.
  • Konačno, tu je slučaj "Zlatnih čarapa", ili slučaj u kojem je svemir točno na balonu između ponovnog reclapsiranja (što bi učinio da ima samo još jedan proton) i širenja u zaborav (što bi učinio da ima jedan manje protona ), i umjesto toga samo asimptotira u stanje u kojem stopa ekspanzije opada na nulu, ali nikad se ne okreće za ponovno prisvajanje.

Kao što se ispostavilo, živimo gotovo u slučaju Goldilocks, sa samo malo tamne energije bačenom u smjesu, čineći brzinu ekspanzije samo malo većom, što znači da će na kraju sva materija koja nije gravitaciono vezana već biti biti odvojen u ponor dubokog svemira.

Očekivane sudbine Svemira (gornje tri ilustracije) sve odgovaraju Svemiru gdje se materija i energija bore protiv početne brzine širenja. U našem promatranom Svemiru, kozmičko ubrzanje uzrokovano je nekom vrstom tamne energije, koja je do sada neobjašnjiva. (E. Siegel / Iza galaksije)

Ono što je izvanredno je da se količina precizne prilagodbe koja se trebala dogoditi kako bi se brzina širenja i gustoća materije i energije Svemira toliko poklapala da se nismo odmah ponovno prisjetili ili nismo uspjeli formirati čak ni osnovne građevne blokove tvar je nešto poput jednog dijela u 10², što je nalik na uzimanje dva ljudska bića, brojanje broja elektrona u njima i otkrivanje da su identični unutar jednog elektrona. Zapravo, ako se vratimo u vrijeme kada je Svemir bio samo jedan nanosekunda (još od Velikog praska), možemo kvantificirati koliko je potrebno fino prilagoditi gustoću i brzinu širenja.

Da je Svemir imao samo malo veću gustoću (crvenu), već bi se sjetio; da je imao tek nešto nižu gustoću, proširio bi se mnogo brže i postao puno veći. (Vodič za kosmologiju Ned Wrighta)

Razina do koje brzina ekspanzije i ukupna gustoća energije moraju biti uravnoteženi besprizorno su precizni; tada bi sitna promjena tada dovela do Univerzuma koji je znatno drugačiji od onog kojeg danas promatramo. Pa ipak, ta fino podešena situacija jako puno opisuje Univerzum koji imamo, a koji se nije odmah urušio i koji se nije prebrzo proširio u složene strukture. Umjesto toga, stvorila je svu čudesnu raznolikost nuklearnih, atomskih, molekularnih, staničnih, geoloških, planetarnih, zvjezdanih, galaktičkih i klasterističnih pojava koje danas imamo. Imamo puno sreće što smo trenutno tamo, da naučimo sve što imamo o tome i da se još više uključimo u posao učenja: proces znanosti. Svemir se nije srušio u crnu rupu zbog nevjerojatno izbalansiranih uvjeta pod kojima se rodio, a to bi mogla biti upravo najznačajnija činjenica od svih.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.