Tanyakan Ethan # 50: mengapa alam semesta tidak berubah menjadi lubang hitam?
Mengingat bahwa semua masalah ini dan semua energi dikumpulkan dengan sangat ketat di satu tempat, dan begitu padat pada saat Dentuman Besar - mengapa Semesta tidak runtuh?
"Es ist immer angenehm, über strenge Lösungen einfacher Form zu verfügen." (Selalu menyenangkan memiliki solusi tepat untuk Anda)
- Karl Schwarzschild
Bahkan jika Anda mengetahui semua hukum fisika di semua tempat Semesta setiap saat, ini masih belum cukup untuk memprediksi keadaan Alam Semesta saat ini. Karena, meskipun hukum fisika menetapkan aturan untuk evolusi suatu sistem, masih diperlukan serangkaian kondisi awal untuk memulai. Minggu ini masalah kami didedikasikan untuk pertanyaan Adreas Lauser, yang bertanya:Meskipun saya memiliki sedikit keraguan bahwa teori Big Bang benar, atau, seperti yang Anda katakan, perkiraan yang baik tentang apa yang terjadi, ada satu hal yang saya renungkan ketika saya memikirkan bagian kosmologi ini. Adakah penjelasan untuk fakta bahwa Semesta tidak segera berubah menjadi lubang hitam? Saya percaya bahwa kepadatan awalnya jauh lebih tinggi dari batas Schwarzschild.
Kami sudah membahas pertanyaan ini , tetapi Anda membutuhkan detail tambahan dan jawaban yang lebih baik daripada yang saya berikan saat itu. Mari kita kembali ke momen kelahiran teori gravitasi paling sukses, GR, 100 tahun lalu.
Sebelum Einstein, hukum gravitasi Newton adalah teori gravitasi yang diakui. Semua fenomena gravitasi Alam Semesta, dari percepatan massa di Bumi, hingga orbit bulan di sekitar planet dan orbit planet itu sendiri di sekitar Matahari, dijelaskan oleh teorinya. Objek yang diberikan gaya tarik yang sama dan berlawanan diarahkan ketika berinteraksi satu sama lain, mereka dipercepat berbanding terbalik dengan massa, dan pasukan mematuhi hukum universal kuadrat terbalik. Pada 1900-an, hukum diuji dengan baik dan tidak ada pengecualian yang ditemukan. Nah, lebih tepatnya, di antara ribuan dan ribuan percobaan yang berhasil, mereka praktis tidak ditemukan.
Tetapi untuk pikiran visioner dan mereka yang tertarik pada detail, ada beberapa masalah.1. Pada kecepatan sangat tinggi, mendekati kecepatan cahaya, ide-ide Newton tentang ruang dan waktu absolut tidak bisa lagi mengatasinya. Partikel radioaktif hidup lebih lama, jarak berkontraksi, dan massa bukanlah sumber daya tarik utama - kehormatan ini tampaknya beralih ke energi, dan massa hanyalah salah satu dari bentuknya.2. Dalam medan gravitasi yang sangat kuat - setidaknya jika, karena ini, Merkurius adalah planet khusus di tata surya kita, berputar mengelilingi Matahari - prediksi Newton tentang perilaku gravitasi benda sedikit, tetapi terasa berbeda dari pengamatan. Tampaknya jika Anda sangat dekat dengan sumber-sumber yang sangat besar, gaya tarik tambahan muncul, yang tidak diperhitungkan oleh gravitasi Newton.Setelah semua ini, dua perkembangan muncul yang membuka jalan bagi teori baru yang datang untuk menggantikan Newton - sebuah konsep brilian tapi sangat tua yang menggambarkan prinsip-prinsip karya Semesta.
Perkembangan pertama para ilmuwan adalah bahwa ruang dan waktu, yang sebelumnya dianggap entitas yang terpisah (ruang tiga dimensi dan waktu linier) digabungkan dalam peralatan matematika yang menciptakan ruang-waktu empat dimensi. Ini dilakukan pada tahun 1907 oleh German Minkowski:Pandangan tentang ruang dan waktu yang ingin saya sampaikan kepada Anda telah tumbuh berdasarkan fisika eksperimental, dan inilah kekuatan mereka. [...] Karena itu, ruang dalam dirinya sendiri, dan waktu dalam dirinya sendiri, ditakdirkan untuk menghilang dalam bayang-bayang, dan hanya penyatuan keduanya akan tetap dalam peran realitas independen.
Ini bekerja hanya untuk ruang datar Euclidean, tetapi ide itu sangat kuat dari sudut pandang matematika, dan semua hukum relativitas umum menjadi konsekuensi yang tak terelakkan. Ketika ide ini diterapkan pada masalah dengan orbit Merkurius, prediksi Newton, dengan mempertimbangkan peralatan baru, sedikit mendekati parameter yang diamati, tetapi masih belum mencapai mereka.
Einstein sendiri melakukan pengembangan kedua, dan itu adalah gagasan bahwa ruang-waktu tidak datar, tetapi melengkung. Dan faktor yang menentukan kelengkungan ruang-waktu adalah kehadiran energi dalam semua manifestasinya, termasuk massa. Diterbitkan pada tahun 1915, peralatan Einstein sangat sulit digunakan untuk perhitungan, tetapi memberi semua ilmuwan peluang besar untuk memodelkan sistem fisik pada tingkat akurasi yang baru.Ruang-waktu Minkowski berhubungan dengan alam semesta kosong yang tidak mengandung energi dan materi apa pun.
Einstein dapat menemukan solusi di mana Semesta memiliki massa titik tunggal, dengan syarat Anda berada di luar titik ini. Itu datang ke prediksi Newton pada jarak jauh, tetapi memberikan data yang lebih akurat pada jarak kecil. Hasilnya tidak hanya bertepatan dengan pengamatan orbit Merkurius, yang tidak diprediksi oleh gravitasi Newton, tetapi juga memungkinkan untuk membuat asumsi baru tentang lengkungan sinar matahari, yang dapat dilihat pada gerhana matahari total - prediksi ini dikonfirmasi kemudian, selama gerhana 1919.
Tetapi ada solusi lain, tak terduga dan menarik, yang keluar hanya beberapa minggu setelah penerbitan ETO oleh Einstein. Karl Schwarzschild mengerjakan perincian tentang apa yang terjadi dalam konfigurasi dengan massa titik tunggal yang besarnya sewenang-wenang, dan apa yang ia temukan luar biasa:- Pada jarak yang jauh, solusi Einstein bekerja, dan berkurang hingga hasil Newtonian
- Tetapi sangat dekat dengan massa, pada jarak R = 2M dalam satuan alami, Anda mencapai titik di mana tidak ada yang bisa melarikan diri - horizon peristiwa.
- Terlebih lagi, semua yang ada di cakrawala peristiwa pasti runtuh ke singularitas sentral, yang merupakan konsekuensi tak terhindarkan dari teori Einstein.
- , , , , , .
Solusi ini, metrik Schwarzschild, adalah solusi GR pertama yang lengkap dan nontrivial.
Mari kita ingat semua hal di atas dan beralih ke inti pertanyaan: bagaimana dengan alam semesta awal yang panas dan padat, di mana semua materi dan energi, sekarang tersebar di 92 miliar tahun cahaya ruang, terkandung dalam volume yang tidak lebih besar dari tata surya kita?
Tetapi kita harus ingat bahwa, seperti ruang-waktu Minkowski, solusi Schwarzschild adalah statis, yaitu, metrik ruang di dalamnya tidak berubah seiring waktu. Tetapi ada banyak solusi lain - ruang de Sitter, metrik Friedman-Robertson-Walker yang menggambarkan ruang-waktu, yang meluas atau berkontraksi.
Jika kita mulai dengan materi dan energi yang terkandung di Semesta pada tahap awal Big Bang, dan Semesta kita tidak akan mengembang, tetapi statis, dan juga tidak akan ada partikel dengan kecepatan tidak nol, dan partikel-partikel itu tidak akan saling bertabrakan. - semua energi ini akan membentuk lubang hitam Schwarzschild dengan sangat cepat, hampir secara instan. Namun dalam GRT ada halangan penting lainnya: selain fakta bahwa keberadaan materi dan energi menentukan kelengkungan ruang, segala sesuatu yang ada di ruang ini juga menentukan evolusi ruang-waktu itu sendiri!
Apa yang paling mengejutkan, kita tahu bahwa sejak Dentuman Besar, Alam Semesta kita hanya memiliki tiga opsi pengembangan yang mungkin, tergantung pada materi dan energi yang ada di dalamnya dan tingkat ekspansi awal.- , . , , , . , , , , , ( , Big Crunch).
- , . , , , , . .
- , , ( , ) ( ), , , .
Ternyata kita hidup hampir di zona Goldilocks, tetapi dengan penambahan sedikit energi gelap, yang sedikit meningkatkan laju ekspansi, dan ini berarti, pada akhirnya, semua materi yang tidak terikat secara gravitasi akan terbang terpisah dan menghilang ke dalam jurang ruang angkasa yang dalam. .
Apa yang mengejutkan di sini adalah berapa banyak penyesuaian yang tepat yang harus terjadi sehingga laju ekspansi Alam Semesta dan kepadatan materi dan energi bertepatan begitu baik sehingga kita tidak runtuh dengan segera ke belakang atau mengembang agar tidak dapat membentuk batu bata dasar untuk bahan bangunan. Probabilitas ini kira-kira satu dalam 10 ^ 24, dan kira-kira sama dengan probabilitas yang dengannya dua orang, setelah menghitung jumlah elektron yang terkandung di dalamnya, akan mengetahui bahwa mereka identik dengan keakuratan elektron. Jika kita kembali ke masa ketika zaman Alam Semesta hanya satu nanodetik dari saat Dentuman Besar, kita dapat menghitung secara numerik seberapa baik kepadatan dan kecepatan ekspansi yang disetel.
Menurut saya, cerita yang agak luar biasa!Dan, bagaimanapun, ini adalah bagaimana kita dapat menggambarkan Alam Semesta kita, yang tidak segera runtuh dan tidak berkembang terlalu cepat sehingga struktur kompleks tidak dapat terbentuk di dalamnya. Alih-alih, ia memunculkan beragam fenomena nuklir, atom, molekuler, seluler, geologi, planet, bintang, galaksi, dan kluster yang luar biasa yang dapat kita amati. Sangat beruntung bahwa kita ada, dan bahwa kita telah mempelajari segala sesuatu yang telah kita pelajari, dan bahwa kita terlibat dalam proses kognisi lebih lanjut: dalam sains.
Source: https://habr.com/ru/post/id394791/
All Articles