Fragen Sie Ethan Nr. 50: Warum hat sich das Universum nicht in ein Schwarzes Loch verwandelt?
Angesichts der Tatsache, dass all diese Materie und alle Energie an einem Ort so eng gesammelt und zur Zeit des Urknalls so dicht waren - warum ist das Universum nicht zusammengebrochen?
"Es ist immer wieder, über strenge behinderte Rechte Form zu Steuern." (Es ist immer schön, auf einfache Weise die genaue Lösung zur Verfügung zu haben)
- Karl Schwarzschild
Selbst wenn Sie zu jedem Zeitpunkt alle Gesetze der Physik an allen Orten des Universums kennen würden, würde dies nicht ausreichen, um den aktuellen Zustand des Universums vorherzusagen. Obwohl die Gesetze der Physik die Regeln für die Entwicklung eines Systems festlegen, benötigt es dennoch eine Reihe von Anfangsbedingungen, um zu beginnen. Diese Woche widmet sich unsere Ausgabe der Frage von Adreas Lauser, der fragt:Obwohl ich kaum Zweifel daran habe, dass die Urknalltheorie richtig ist oder, wie Sie sagen würden, eine gute Annäherung an das, was passiert ist, gibt es eine Sache, über die ich nachdenke, wenn ich über diesen Teil der Kosmologie nachdenke. Gibt es eine Erklärung dafür, dass sich das Universum nicht sofort in ein Schwarzes Loch verwandelt hat? Ich glaube, dass seine anfängliche Dichte viel höher war als die Schwarzschild-Grenze.
Wir haben diese Frage bereits besprochen , aber Sie benötigen zusätzliche Details und eine bessere Antwort als ich damals. Kehren wir zum Moment der Geburt der erfolgreichsten Gravitationstheorie, GR, vor 100 Jahren zurück.
Vor Einstein war das Newtonsche Gravitationsgesetz die anerkannte Gravitationstheorie. Alle Gravitationsphänomene des Universums, von der Beschleunigung der Massen auf der Erde bis zu den Umlaufbahnen der Monde um die Planeten und den Umlaufbahnen der Planeten selbst um die Sonne, wurden durch seine Theorie beschrieben. Objekte übten im Zusammenspiel gleiche und entgegengesetzt gerichtete Anziehungskräfte aus, beschleunigten umgekehrt mit der Masse und die Kräfte gehorchten dem universellen Gesetz der inversen Quadrate. In den 1900er Jahren wurde das Gesetz gut getestet und es wurden keine Ausnahmen gefunden. Genauer gesagt, unter den Tausenden und Abertausenden erfolgreicher Versuche wurden sie praktisch nicht gefunden.
Aber für visionäre Köpfe und diejenigen, die sich für Details interessieren, gab es einige Probleme.1. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten, die sich der Lichtgeschwindigkeit näherten, konnten Newtons Vorstellungen von absolutem Raum und absoluter Zeit nicht mehr zurechtkommen. Die radioaktiven Teilchen lebten länger, die Entfernungen wurden komprimiert und die Masse war nicht die Hauptanziehungsquelle - diese Ehre schien auf Energie überzugehen, und die Masse war nur eine ihrer Formen.2. In sehr starken Gravitationsfeldern - zumindest wenn Merkur aus diesem Grund ein spezieller Planet in unserem Sonnensystem war, der sich um die Sonne drehte - unterschieden sich Newtons Vorhersagen über das Gravitationsverhalten von Objekten geringfügig, aber merklich von den Beobachtungen. Es schien, dass, wenn Sie sich sehr massiven Quellen nähern, eine zusätzliche Anziehungskraft auftrat, die die Newtonsche Schwerkraft nicht berücksichtigte.Nach all dem tauchten zwei Entwicklungen auf, die den Weg für eine neue Theorie ebneten, die Newtons ersetzen sollte - ein brillantes, aber sehr altes Konzept, das die Prinzipien der Arbeit des Universums beschreibt.
Die erste Entwicklung von Wissenschaftlern war, dass Raum und Zeit, die zuvor als getrennte Einheiten (dreidimensionaler Raum und lineare Zeit) betrachtet wurden, in einem mathematischen Apparat kombiniert wurden, der eine vierdimensionale Raumzeit erzeugte. Dies wurde 1907 von dem Deutschen Minkowski getan:Die Ansichten über Raum und Zeit, die ich Ihnen vorstellen möchte, sind auf der Grundlage der experimentellen Physik gewachsen, und dies ist ihre Stärke. [...] Daher ist der Raum an sich und die Zeit an sich dazu bestimmt, im Schatten zu verschwinden, und nur die Vereinigung der beiden wird in der Rolle der unabhängigen Realität bleiben.
Dies funktionierte nur für den flachen euklidischen Raum, aber die Idee war aus mathematischer Sicht äußerst kraftvoll, und alle Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie wurden zu ihrer unvermeidlichen Konsequenz. Als diese Idee auf das Problem mit der Umlaufbahn von Merkur angewendet wurde, näherte sich die Newtonsche Vorhersage unter Berücksichtigung des neuen Apparats den beobachteten Parametern leicht an, erreichte sie jedoch immer noch nicht.
Einstein selbst hat die zweite Entwicklung gemacht, und es war die Idee, dass Raum-Zeit nicht flach, sondern gekrümmt ist. Und genau der Faktor, der die Krümmung der Raumzeit bestimmt, war das Vorhandensein von Energie in all ihren Erscheinungsformen, einschließlich der Masse. Einsteins Apparat, der 1915 veröffentlicht wurde, war für Berechnungen furchtbar schwierig zu verwenden, bot jedoch allen Wissenschaftlern große Möglichkeiten, physikalische Systeme mit einer neuen Genauigkeit zu modellieren.Minkowskis Raumzeit entsprach einem leeren Universum, das keinerlei Energie und Materie enthielt.
Einstein konnte eine Lösung finden, bei der das Universum eine einzige Punktmasse hatte, unter der Bedingung, dass Sie sich außerhalb dieses Punktes befinden. Es kam auf Newtonsche Vorhersagen über große Entfernungen an, lieferte jedoch genauere Daten über kleine Entfernungen. Die Ergebnisse fielen nicht nur mit der Beobachtung der Umlaufbahn des Merkur zusammen, die die Newtonsche Schwerkraft nicht vorhersagte, sondern ermöglichten auch neue Annahmen über die Krümmung des Sonnenlichts, die bei einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar werden - diese Vorhersagen wurden später während der Sonnenfinsternis von 1919 bestätigt.
Aber es gibt noch eine andere Lösung, unerwartet und interessant, die nur wenige Wochen nach der Veröffentlichung von ETO durch Einstein herauskam. Karl Schwarzschild erarbeitete die Details dessen, was in der Konfiguration passiert, mit einer Einzelpunktmasse beliebiger Größe, und was er fand, war erstaunlich:- Bei großen Entfernungen funktioniert Einsteins Lösung und reduziert sich auf Newtonsche Ergebnisse
- Aber sehr nahe an der Masse, in einer Entfernung von R = 2M in natürlichen Einheiten, erreichen Sie einen Punkt, an dem nichts entkommen kann - den Ereignishorizont.
- Darüber hinaus kollabiert alles innerhalb des Ereignishorizonts unweigerlich zu einer zentralen Singularität, was eine unvermeidliche Folge von Einsteins Theorie ist.
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Diese Lösung, die Schwarzschild-Metrik, war die erste vollständige und nicht triviale Lösung von GR.
Erinnern wir uns an all das oben Genannte und kommen wir zum Kern der Frage: Was ist mit dem heißen, dichten frühen Universum, in dem all die Materie und Energie, die sich jetzt über 92 Milliarden Lichtjahre Raum erstreckt, in einem Volumen enthalten war, das nicht größer als unser Sonnensystem war?
Man muss jedoch bedenken, dass die Schwarzschild-Lösung wie die Raumzeit von Minkowski statisch ist, dh die darin enthaltene Raummetrik ändert sich nicht im Laufe der Zeit. Es gibt aber auch viele andere Lösungen - den de Sitter-Raum, die Friedman-Robertson-Walker-Metrik, die die Raumzeit beschreibt und sich ausdehnt oder zusammenzieht.
Wenn wir mit der Materie und Energie beginnen würden, die in den frühen Stadien des Urknalls im Universum enthalten waren, würde sich unser Universum nicht ausdehnen, sondern statisch, und es würde auch keine Teilchen mit einer Geschwindigkeit ungleich Null geben, und die Teilchen würden nicht miteinander kollidieren - all diese Energie würde sehr schnell, fast augenblicklich, ein Schwarzschild-Schwarzes Loch bilden. Aber in GRT gibt es noch einen weiteren wichtigen Haken: Neben der Tatsache, dass die Anwesenheit von Materie und Energie die Krümmung des Raums bestimmt, bestimmt alles, was sich in diesem Raum befindet, auch die Entwicklung der Raumzeit selbst!
Was am meisten überrascht, wir wissen, dass unser Universum seit dem Urknall nur drei mögliche Entwicklungsoptionen hat, abhängig von der darin enthaltenen Materie und Energie und der anfänglichen Expansionsrate.- , . , , , . , , , , , ( , Big Crunch).
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Es stellt sich heraus, dass wir fast in der Goldlöckchen-Zone leben, aber mit der Zugabe einer kleinen Menge dunkler Energie, die die Expansionsrate leicht erhöht, und dies bedeutet, dass am Ende alle Materie, die nicht gravitativ miteinander verbunden ist, auseinander fliegt und im Abgrund des Weltraums verschwindet .
Was hier überrascht, ist, wie viele genaue Einstellungen vorgenommen werden mussten, damit die Expansionsrate des Universums und die Dichte von Materie und Energie so gut zusammenfallen, dass wir weder sofort rückwärts kollabieren noch expandieren, um nicht die Grundsteine für das Bauen von Materie bilden zu können. Die Wahrscheinlichkeit hierfür ist ungefähr eins zu 10 ^ 24 und ungefähr gleich der Wahrscheinlichkeit, mit der zwei Personen, nachdem sie die Anzahl der in ihnen enthaltenen Elektronen gezählt haben, herausfinden würden, dass sie mit der Genauigkeit eines Elektrons identisch sind. Wenn wir in eine Zeit zurückgehen würden, in der das Alter des Universums nur eine Nanosekunde vom Moment des Urknalls entfernt war, könnten wir numerisch berechnen, wie gut die Dichte und Geschwindigkeit der Expansion abgestimmt sind.
Meiner Meinung nach eine ziemlich unglaubliche Geschichte!Und dennoch können wir so unser Universum beschreiben, das nicht sofort zusammenbrach und sich nicht zu schnell ausdehnte, so dass sich darin keine komplexen Strukturen bilden konnten. Stattdessen entstand die ganze wunderbare Vielfalt von nuklearen, atomaren, molekularen, zellulären, geologischen, planetarischen, stellaren, galaktischen und Cluster-Phänomenen, die wir beobachten können. Es ist ein Glück, dass wir existieren und alles gelernt haben, was wir gelernt haben, und dass wir in den Prozess der weiteren Erkenntnis involviert sind: in die Wissenschaft.
Source: https://habr.com/ru/post/de394791/
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