Pregúntele a Ethan # 50: ¿por qué el universo no se convirtió en un agujero negro?
Dado que todo este asunto y toda la energía estaban tan estrechamente reunidos en un solo lugar y eran tan densos en el momento del Big Bang, ¿por qué el Universo no volvió a colapsar?
"Es ist immer angenehm, über strenge Lösungen einfacher Form zu verfügen". (Siempre es bueno tener a su disposición la solución exacta de una manera simple)
- Karl Schwarzschild
Incluso si supieras todas las leyes de la física en todos los lugares del Universo en cualquier momento, esto aún no sería suficiente para predecir el estado actual del Universo. Dado que, aunque las leyes de la física establecen las reglas para la evolución de un sistema, aún necesita un conjunto de condiciones iniciales para comenzar. Esta semana nuestro número está dedicado a la pregunta de Adreas Lauser, quien pregunta:Aunque tengo pocas dudas de que la teoría del Big Bang es correcta o, como diría, una buena aproximación de lo que sucedió, hay una cosa en la que reflexiono cuando pienso en esta parte de la cosmología. ¿Hay alguna explicación para el hecho de que el Universo no se convirtió inmediatamente en un agujero negro? Creo que su densidad inicial fue mucho mayor que el límite de Schwarzschild.
Ya hemos discutido esta pregunta , pero necesita detalles adicionales y una mejor respuesta que la que di entonces. Volvamos al momento del nacimiento de la teoría de la gravedad más exitosa, GR, hace 100 años.
Antes de Einstein, la ley de gravedad de Newton era la teoría reconocida de la gravedad. Su teoría describió todos los fenómenos gravitacionales del Universo, desde la aceleración de las masas en la Tierra, hasta las órbitas de las lunas alrededor de los planetas y las órbitas de los planetas alrededor del Sol. Los objetos ejercían fuerzas de atracción iguales y dirigidas de manera opuesta cuando interactuaban entre sí, aceleraban inversamente con la masa y las fuerzas obedecían la ley universal de los cuadrados inversos. En la década de 1900, la ley estaba bien probada y no se encontraron excepciones. Bueno, más precisamente, entre los miles y miles de ensayos exitosos, prácticamente no se encontraron.
Pero para las mentes visionarias y los interesados en los detalles, hubo un par de problemas.1. A velocidades muy altas, acercándose a la velocidad de la luz, las ideas de Newton sobre el espacio y el tiempo absolutos ya no podían hacer frente. Las partículas radiactivas vivieron más tiempo, las distancias se comprimieron y la masa no era la principal fuente de atracción: este honor parecía pasar a la energía, y la masa era solo una de sus formas.2. En campos gravitacionales muy fuertes, al menos si, debido a esto, Mercurio era un planeta especial en nuestro sistema solar, girando alrededor del Sol, las predicciones de Newton sobre el comportamiento gravitacional de los objetos eran ligeramente, pero notablemente, diferentes de las observaciones. Parecía que si te acercabas a fuentes muy masivas, aparecía una fuerza de atracción adicional, que la gravedad newtoniana no tenía en cuenta.Después de todo esto, aparecieron dos desarrollos que allanaron el camino para una nueva teoría que reemplazó a la de Newton, un concepto brillante pero muy antiguo que describe los principios del trabajo del Universo.
El primer desarrollo de los científicos fue que el espacio y el tiempo, previamente considerados entidades separadas (espacio tridimensional y tiempo lineal) se combinaron en un aparato matemático que creó el espacio-tiempo tetradimensional. Esto fue hecho en 1907 por el alemán Minkowski:Las opiniones sobre el espacio y el tiempo que quiero presentarles han crecido sobre la base de la física experimental, y esta es su fortaleza. [...] Por lo tanto, el espacio en sí mismo, y el tiempo en sí mismo, está destinado a desaparecer en las sombras, y solo la unión de los dos permanecerá en el papel de la realidad independiente.
Esto funcionó solo para el espacio plano euclidiano, pero la idea era extremadamente poderosa desde el punto de vista de las matemáticas, y todas las leyes de la relatividad general se convirtieron en su consecuencia inevitable. Cuando esta idea se aplicó al problema con la órbita de Mercurio, la predicción newtoniana, teniendo en cuenta el nuevo aparato, se acercó ligeramente a los parámetros observados, pero aún no los alcanzó.
Einstein mismo hizo el segundo desarrollo, y fue la idea de que el espacio-tiempo no es plano, sino curvo. Y el factor determinante de la curvatura del espacio-tiempo fue la presencia de energía en todas sus manifestaciones, incluida la masa. Publicado en 1915, el aparato de Einstein era terriblemente difícil de usar para los cálculos, pero les dio a todos los científicos grandes oportunidades para modelar sistemas físicos con un nuevo nivel de precisión.El espacio-tiempo de Minkowski correspondía a un universo vacío que no contenía energía ni materia de ningún tipo.
Einstein pudo encontrar una solución en la que el Universo tenía una masa de un solo punto, con la condición de que usted estuviera fuera de este punto. Se redujo a predicciones newtonianas a largas distancias, pero dio datos más precisos a pequeñas distancias. Los resultados no solo coincidieron con la observación de la órbita de Mercurio, que la gravedad newtoniana no predijo, sino que también permitieron hacer nuevas suposiciones sobre la curvatura de la luz solar, que se pueden ver en un eclipse solar total; estas predicciones se confirmaron más tarde, durante el eclipse de 1919.
Pero hay otra solución, inesperada e interesante, que surgió solo unas semanas después de la publicación de ETO por Einstein. Karl Schwarzschild resolvió los detalles de lo que sucede en la configuración con una masa de un punto de magnitud arbitraria, y lo que encontró fue sorprendente:- A grandes distancias, la solución de Einstein funciona y se reduce a resultados newtonianos.
- Pero muy cerca de la masa, a una distancia de R = 2M en unidades naturales, se llega a un punto donde nada puede escapar: el horizonte de eventos.
- Además, todo dentro del horizonte de eventos inevitablemente colapsa a una singularidad central, que es una consecuencia inevitable de la teoría de Einstein.
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Esta solución, la métrica de Schwarzschild, fue la primera solución completa y no trivial de GR.
Recordemos todo lo anterior y pasemos a la esencia de la pregunta: ¿qué pasa con el cálido y denso Universo temprano, donde toda la materia y la energía, ahora repartidas en 92 mil millones de años luz de espacio, estaba contenida en un volumen no mayor que nuestro sistema solar?
Pero hay que tener en cuenta que, al igual que el espacio-tiempo de Minkowski, la solución de Schwarzschild es estática, es decir, la métrica del espacio no cambia con el tiempo. Pero hay muchas otras soluciones: el espacio de Sitter, la métrica de Friedman-Robertson-Walker que describe el espacio-tiempo, que se expande o contrae.
Si comenzáramos con la materia y la energía que estaban contenidas en el Universo en las primeras etapas del Big Bang, y nuestro Universo no se expandiría, sino que sería estático, y tampoco habría partículas con una velocidad distinta de cero, y las partículas no chocarían entre sí. - Toda esta energía formaría un agujero negro de Schwarzschild muy rápidamente, casi al instante. Pero en GRT hay otro inconveniente importante: además del hecho de que la presencia de materia y energía determina la curvatura del espacio, ¡todo lo que está en este espacio también determina la evolución del espacio-tiempo mismo!
Lo que es más sorprendente, sabemos que desde el Big Bang, nuestro Universo tiene solo tres posibles opciones de desarrollo, dependiendo de la materia y la energía presentes en él y la tasa inicial de expansión.- , . , , , . , , , , , ( , Big Crunch).
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Resulta que vivimos casi en la zona de Ricitos de Oro, pero con la adición de una pequeña cantidad de energía oscura, lo que aumenta ligeramente la tasa de expansión, y esto significa que, al final, toda la materia que no está unida gravitacionalmente se separará y desaparecerá en el abismo del espacio profundo. .
Lo sorprendente aquí es cuántos ajustes precisos tuvieron que suceder para que la tasa de expansión del Universo y la densidad de la materia y la energía coincidan tan bien que no colapsamos inmediatamente hacia atrás ni nos expandimos para no poder formar los ladrillos básicos para la materia de construcción. La probabilidad de esto es aproximadamente uno de cada 10 ^ 24, y aproximadamente igual a la probabilidad con la que dos personas, habiendo contado la cantidad de electrones contenidos en ellas, descubrirían que son idénticas a la precisión de un electrón. Si retrocedemos en el tiempo en un momento en que la edad del Universo era solo un nanosegundo desde el momento del Big Bang, podríamos calcular numéricamente qué tan bien están sintonizados la densidad y la velocidad de expansión.
En mi opinión, ¡una historia bastante increíble!Y, sin embargo, así es como podemos describir nuestro Universo, que no colapsó de inmediato y no se expandió demasiado rápido para que no pudieran formarse estructuras complejas en él. En cambio, dio lugar a toda la maravillosa variedad de fenómenos nucleares, atómicos, moleculares, celulares, geológicos, planetarios, estelares, galácticos y de racimo que podemos observar. Es una suerte que existamos, y que hayamos aprendido todo lo que hemos aprendido, y que estemos involucrados en el proceso de cognición adicional: en la ciencia.
Source: https://habr.com/ru/post/es394791/
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