Geekly articles weekly

Bagaimana bentuk alam semesta tertutup? Kelanjutan dari artikel sebelumnya

Dalam artikel terakhir "Alam Semesta Tertutup - bagaimana hasilnya, bagaimana menjelaskannya secara lebih sederhana, dan mengapa tidak mungkin keluar darinya", saya mencoba menjelaskan sifat-sifat Alam Semesta yang tertutup dalam kerangka kuliah fisika umum. Fakta bahwa Alam Semesta kita sangat mungkin tertutup mengikuti dari data tentang pengukuran konstanta Hubble, kepadatan rata-rata materi, usia bintang dan persamaan teori relativitas umum (selanjutnya disebut sebagai GR). Benar, sementara kelebihan dari kepadatan yang diukur di atas yang kritis, di mana Semesta akan menjadi tak terbatas, kecil - hanya 2%. Karenanya, diskusi tentang masalah ini harus ditunda hingga tidak ada data baru. Namun demikian, jika beberapa mekanisme yang mungkin dapat diusulkan untuk pembentukan dunia tertutup volume terbatas (dan pada awalnya - yang mikroskopis), maka agak sulit untuk datang dengan penjelasan untuk penampilan alam semesta terbuka dimensi tak terbatas. Sementara itu, berbagai konfirmasi eksperimental dari Big Bang membuktikan bahwa alam semesta memiliki permulaan. Sekarang kita akan mempertimbangkan pertanyaan tentang bagaimana tepatnya alam semesta yang tertutup (belum tentu milik kita) dapat muncul, dijelaskan dalam artikel sebelumnya. Opsi di sini mungkin berbeda, misalnya, ada model kemunculan dunia tertutup sebagai akibat dari fluktuasi kuantum. Namun, setelah Hawking menemukan pada tahun 1974 penguapan lubang hitam, mekanisme yang kurang eksotis muncul. Pada tahun 1976, Ya.B. Zeldovichmenyarankan bahwa sebagai akibat dari penguapan, alam semesta yang tertutup muncul.

Seperti pada artikel sebelumnya, minimum pengetahuan dalam fisika seharusnya, tentu GR, setidaknya dalam jumlah kecil. Di sini, bahannya jauh lebih rumit, jadi lebih banyak diperlukan. Kursus fisika sekolah tidak akan cukup. Membaca buku-buku populer tentang kosmologi tidak akan menggantikan mata kuliah fisika universitas, untuk beberapa alasan tidak dipelajari di institut.

EVAPORASI LUBANG HITAM

Pertimbangkan black hole (selanjutnya disebut BH), yang menguap sesuai dengan teori Hawking. Waktu penguapan lengkap oleh jam pengamat yang jauh sangat lama, oleh karena itu, untuk kesederhanaan, kita mengasumsikan bahwa itu adalah di alam semesta terbuka, yang masa hidupnya tidak terbatas. Apa yang terjadi pada materi di dalam lubang hitam selama penguapan, dengan partikel jatuh di bawah cakrawala? Tanpa berpikir, banyak yang akan menjawab bahwa mereka menguap. Jawabannya jelas salah, karena tidak ada partikel, tidak ada radiasi yang dapat meninggalkan BH. Cakrawala hanya bisa disilangkan dalam satu arah - ke dalam. Kemudian muncul pertanyaan, dari mana datangnya radiasi dari pengamat yang jauh? Dalam artikel sebelumnya, saya menunjukkan dengan bantuan pertimbangan yang sederhana, meskipun tidak ketat, bagaimana medan gravitasi dapat mengurangi massa atau sisa energi materi menjadi nol,tanpa mengubah kuantitasnya, yaitu jumlah partikel. Penguapan lubang hitam adalah transfer energi sisa partikel di dalam lubang hitam ke luar. Selain itu, selama penguapan lubang hitam, jumlah zat di dalamnya harus meningkat, hanya perlu diingatkan sekali lagi bahwa, seperti dijelaskan dalam artikel sebelumnya, peningkatan jumlah zat dapat menyebabkan penurunan massa / energi dan ukuran!

Pertimbangkan pengamat yang jauh perlahan mendekati cakrawala lubang hitam. Jika pengamat jarak yang sangat jauh menentukan oleh suhu radiasi T cakrawala dengan rumus Hawking T = , di mana - konstanta Planck, c - kecepatan cahaya, k - Boltzmann konstan, r g - radius Schwarzschild, r - radial koordinat pengamat di metrik Schwarzschild, maka ketika mendekati cakrawala, frekuensi foton yang diamati akan meningkat dalam (1 - r g / r ) -1/2kali [1], §102. Temperatur horizon yang diamati juga akan meningkat. Akibatnya, seorang pengamat di dekat cakrawala akan melihat permukaan yang sangat panas. Radiasi yang terjadi di dekat cakrawala tidak semuanya menuju tak terhingga - sebagian darinya berada di dalam lubang hitam, karena ia diarahkan ke cakrawala atau pada sudut besar ke jari-jari. Tapi ini hanya bagian dari pertumbuhan di dalam black hole. Karena massa yang diamati dari luar berkurang sebagai akibat dari penguapan, dari sudut pandang pengamat peristirahatan yang jauh, sebuah paradoks muncul - tidak ada massa / energi yang dapat meninggalkan bola horizon, dan massa / energi lubang hitam jatuh. Paradoksnya diperhatikan, cukup aneh, cukup terlambat. Satu-satunya mekanisme yang mungkin untuk penurunan massa / energi lubang hitam adalah penyerapan partikel dengan energi negatif.

Mari kita mulai dengan menjelaskan yang paling mendasar - bagaimana medan gravitasi dapat melahirkan materi. Untuk pertama kalinya ide ini diungkapkan oleh Ya.B. Zeldovich. Sebagai ilustrasi, ada efek Schwinger yang terkenal - produksi pasangan elektron-positron oleh medan listrik konstan yang kuat [2]. Sepasang partikel virtual "electron - positron" dapat menjadi nyata, setelah menerima energi dari medan listrik konstan eksternal dari urutan mc 2 , m adalah massa elektron. Untuk melakukan ini, elektron harus terowongan melalui penghalang potensial, melewati jarak urutan dalam medan listrik percepatan , E adalah kekuatan medan, e adalah muatan elektron. Tentu saja, ini adalah gambaran yang sangat sederhana, tidak terkait dengan metode yang dikembangkan oleh Schwinger.

Seperti dalam efek Schwinger, gaya gravitasi bekerja pada partikel virtual di dekat cakrawala, yang dapat memberi mereka energi tambahan, cukup untuk menjadi nyata. Ada analog Schwinger efek - efek Ounrou: terbang Observer dengan percepatan konstan dalam vakum (vakum dari sudut pandang seorang pengamat stasioner), tidak mengamati vakum, dan radiasi termal yang sesuai dengan suhu T , [3]. Karena akselerasi konstan setara dengan medan gravitasi yang seragam, kesamaan mekanisme jelas.

Jika ada aliran partikel energi positif DARI lubang hitam dalam kerangka referensi pengamat jarak jauh, maka massa / energinya berkurang. Maka harus ada aliran partikel dengan energi total negatif (dari sudut pandang pengamat jauh, dalam kerangka referensi), jatuh di dalam BH. Dengan cara yang berbeda, massa lubang hitam tidak bisa berkurang - pergerakan benda apa pun, pembawa energi apa pun hanya mungkin di dalam cakrawala. Ini bisa berupa partikel virtual yang melintas di cakrawala, tempat mereka, setelah menerima energi dari medan gravitasi, menjadi nyata. Gambaran seperti itu, tentu saja, terlalu disederhanakan untuk tujuan pemahaman. Lebih tepatnya, di bawah cakrawala akan muncul aliran partikel yang tidak mungkin ada, sebagaimana nyata, di luar BH, karena mereka akan memiliki energi negatif. Hanya dengan cara ini energi dapat mengalir keluar dari BH,direkam oleh pengamat jarak jauh. Saya tidak tahu literatur tentang masalah ini dengan baik untuk menunjukkan artikel di mana masalah seperti itu diselesaikan, tetapi ada disebutkan dalam literatur tentang efek yang sama.

Dengan demikian, penguapan BH meningkatkan jumlah partikel dalam cakrawala, mengurangi massanya. Tidak ada kontradiksi di sini, seperti yang dijelaskan dalam artikel sebelumnya. Tetapi ini bukan satu-satunya mekanisme untuk kelahiran materi oleh medan gravitasi. Dengan runtuhnya bahkan bola ideal, medan gravitasi di dalam materi berubah dengan cepat. Medan bolak-balik semacam itu harus menghasilkan partikel, yang sebagian besar akan tetap berada di dalam BH. Lebih lanjut, selama runtuhnya massa nonspherical yang nyata di dekat singularitas, ketika materi terkompresi ke suatu titik, mode "Mixmaster Universe" [4] mau tidak mau muncul, ditemukan oleh V.A. Belinsky, E.M. Lifshits dan I.M. Khalatnikov. Dalam hal ini, terjadi kompresi dan ekstensi kacau yang tidak homogen, disertai dengan produksi partikel. Benar, ini tidak mengubah massa lubang hitam yang diamati dari luar.

Akibatnya, pada akhir penguapan BH, itu akan mengandung lebih banyak substansi daripada di awal, meskipun massa dan ukuran yang diamati dari luar menjadi nol, mirip dengan contoh yang dibahas dalam artikel sebelumnya. Gravitasi memompa semua energinya sendiri dari zat ini, melewati larangan meninggalkan cakrawala. Seperti yang dijelaskan dalam artikel sebelumnya, ini adalah alam semesta yang tertutup. Harus diingat bahwa massa / energi suatu zat di dalam dunia tertutup adalah nol HANYA untuk pengamat eksternal. Pengamat internal akan mendaftarkan medan gravitasi zat di sekitarnya, massanya, dll., Zat di sekitarnya benar-benar nyata baginya, sama seperti kita. Ini adalah salah satu efek GR yang paling menakjubkan.

SETELAH EVAPORASI

Seperti yang dibuktikan secara matematis, misalnya, oleh Penrose, dalam kerangka relativitas umum klasik, keruntuhan menyebabkan kompresi materi ke suatu titik. Kelanjutan lebih lanjut dari solusi untuk singularitas dari sudut pandang matematika adalah tidak mungkin. Namun, jelas bahwa dalam skala yang sangat kecil teori klasik (non-kuantum) tidak berlaku, jika hanya karena tidak mungkin untuk mengukur jarak yang lebih pendek dari panjang Planck 1,6x10 -35 m, G- konstanta gravitasi, karena pada skala seperti itu fluktuasi quantum medan gravitasi mengarah pada fakta bahwa tensor metrik tidak memiliki nilai tertentu, seperti koordinat elektron dalam atom. Dari pertimbangan umum, dapat diasumsikan bahwa kompresi akan berhenti pada ukuran yang sama atau lebih awal. Faktanya adalah bahwa, secara tegas, persamaan GR yang ditulis oleh Einstein hanya mengandung istilah linear pertama dalam tensor kelengkungan. Ada alasan bagus untuk ini. Pertama, akan sangat sulit untuk mempelajari persamaan yang lebih kompleks. Kedua, teori Newton meramalkan pergerakan planet dengan cukup akurat, sehingga perkiraan berikutnya seharusnya sudah cukup, dan ternyata demikian untuk skala makroskopik. Ketiga, kelengkungan ruang kita, yang diperoleh dari GR, sangat kecil, jari-jari kelengkungan yang sesuai adalah miliaran tahun cahaya.Oleh karena itu, pendekatan linier ini valid hingga kelengkungan ruang menjadi terlalu besar. Maka istilah-istilah berikut kuadrat dalam tensor kelengkungan harus diperhitungkan dalam persamaan, namun, koefisien yang sesuai tidak dapat lagi ditentukan dari perbandingan dengan teori Newton.

Penting untuk membuat asumsi yang bermakna tentang sifat gravitasi. Untuk pertama kalinya, koreksi semacam itu ditulis dalam bentuk umum dan dievaluasi berdasarkan nilainya A.D. Sakharov pada tahun 1966 [5], berdasarkan hipotesis gravitasinya, sebagai hasil dari aksi fluktuasi kuantum semua bidang. Seperti yang diharapkan, berdasarkan asumsi sifat koreksi, mereka menjadi signifikan ketika jari-jari kelengkungan berada pada urutan panjang Planck. Sayangnya, pekerjaan yang luar biasa ini tidak dilanjutkan, dan dilupakan. Setelah 13 tahun, ide-ide ini kembali diajukan dan dibawa ke teori lengkap dalam karya-karya Starobinsky, Mukhanov [6], dll. ... Diperlihatkan bahwa koreksi semacam itu dalam kosmologi bekerja melawan ketertarikan. Oleh karena itu, masuk akal untuk mengasumsikan bahwa mereka dapat menghentikan keruntuhan pada nilai yang sangat besar dari kelengkungan ruang, pada ukuran yang sangat kecil.Kemudian, sesuai dengan persamaan relativitas umum, ekspansi harus dimulai - persamaan tidak punya solusi masuk akal lainnya. Ini adalah awal dari evolusi alam semesta yang tertutup. Jika ekspansi tidak terjadi di dunia tertutup, tetapi di bawah cakrawala ukuran non-nol, maka solusi yang sesuai akan menjadi "lubang putih" - seperti lubang hitam, sebaliknya. Ada daerah semacam itu dalam solusi lengkap dari persamaan relativitas umum tentang kompresi bola materi [1], §103, di mana materi hanya bergerak dari pusat, dan di bawah cakrawala mustahil untuk bergerak ke pusat, hanya ke luar. Rupanya, lubang putih tidak mungkin, karena terlihat agak absurd - tidak menarik, tetapi menolak. Karena itu, harus diasumsikan bahwa ekspansi sudah terjadi di dunia tertutup yang telah memisahkan diri dari alam semesta eksternal.Artinya, jika bagi pengamat eksternal proses penguapan BH dan meninggalkan materi di dunia tertutup membutuhkan waktu yang sangat lama: 1074 detik untuk massa matahari, maka untuk pengamat jatuh ke dalam lubang hitam di tepi materi runtuh, proses ini memakan waktu sebanyak penurunan di tengah - sangat cepat, dalam waktu pesanan r g / c .

KESIMPULAN DAN PENJELASAN SEDIKIT

Penguapan BH menyediakan mekanisme paling sederhana untuk pembentukan alam semesta tertutup. Hipotesis lain seperti fluktuasi kuantum terlihat jauh lebih eksotis. Mekanisme seperti itu memungkinkan kita untuk menjelaskan kemunculan alam semesta seperti kita, yang mengandung sejumlah besar materi. Ternyata sejumlah besar materi dalam BH tidak diperlukan. Pada tahap awal setelah Big Bang, ada kelahiran intensif materi oleh medan gravitasi - ide ini pertama kali dikemukakan oleh Ya. B. Zeldovich, teori ini dibangun dalam karya A.A. Starobinsky, V.F. Mukhanova, G.V. Chibisov dan lainnya. Seperti yang diterapkan pada Alam Semesta kita, ternyata kesepakatan terbaik dengan data tentang radiasi peninggalan diperoleh jika kita mengasumsikan bahwa pada saat awal tidak ada atau hampir tidak ada masalah. Dalam karya[6] V.F. Mukhanov mempertimbangkan pilihan itu ketika semua materi lahir dari medan gravitasi.
Saya tidak memberikan tautan ke karya-karya asli, karena di sini saya mencoba untuk memberikan akun dari ide-ide yang ada yang saya dapatkan dari ulasan. Dengan referensi [3], pembaca akan menemukan presentasi yang paling sederhana dan paling mudah diakses dari derivasi radiasi Hawking dan efek Unruh. Dengan referensi [7] - ulasan yang baik dari literatur dan presentasi yang disederhanakan dari sejumlah teori modern. Ada cukup banyak buku dan artikel di Internet, dan pembaca yang berpendidikan dalam fisika akan dengan mudah menemukan penjelasan yang lebih rinci dari setiap pertanyaan yang diajukan dalam artikel ini. Tugas saya adalah memberi gambaran besar. Saya akan menambahkan pada akhirnya artikel ulasan ditulis sangat mudah diaksesYa.B. Zeldovich [9], di mana ia, khususnya, mengemukakan pertimbangannya demi isolasi alam semesta. Sangat merekomendasikan membaca.

Sepanjang jalan, saya mengambil kesempatan untuk mengklarifikasi istilah yang sering muncul dalam artikel populer dan buku-buku tentang kosmologi. Ini adalah "energi gelap" dan "materi gelap", yang sebagian besar pembaca memiliki gagasan gelap. "Energi gelap" adalah nama ilmiah untuk hal yang telah lama diketahui, konstanta kosmologis [1], §111. Ini pertama kali diperkenalkan oleh Einstein, mengingat kemungkinan bentuk persamaan relativitas umum dalam bentuk di

mana gambaradalah tensor kelengkungan, tensor momentum-energi dan metrik, R adalah jejak tensor kelengkungan, dan gambarmerupakan konstanta kosmologis. Einstein awalnya percayabukan nol untuk mendapatkan solusi statis untuk Semesta, tetapi kemudian meninggalkan istilah ini karena tidak memiliki makna fisik yang jelas dan tidak dikonfirmasi oleh pengamatan. Namun demikian, istilah ini tidak bertentangan dengan prinsip fisik apa pun. Dalam karya Sakharov [5] adalah kepadatan energi dari getaran titik nol dari semua bidang dalam ruang datar (akurat untuk faktor konstan). Penafsiran ini diterima oleh banyak orang saat ini, mungkin sedikit diperbaiki, meskipun bukan satu-satunya yang mungkin. Dengan positifperubahan serius muncul dalam solusi persamaan relativitas umum untuk Semesta. Dalam hal ini, Semesta yang tertutup tidak selalu berhenti berkembang, diikuti oleh kompresi - ia dapat beralih ke mode ekspansi yang dipercepat, yang disebut Desitter, dengan nama de Sitter, yang menerima solusi ini. Jari-jari alam semesta tumbuh secara eksponensial seiring waktu. Justru hasil seperti itu sehingga para astronom yang mempelajari bintang supernova pada tahun 1998 datang ke, dari pengamatan nilai dihitung .

Terkadang mereka menulis tentang tekanan negatif "energi gelap". Pernyataan yang tidak jelas ini memiliki makna fisik yang sederhana. Jika Anda memiliki volume tertutup, di luar bidang yang tidak ada, maka energi osilasi bidang nol tumbuh dengan meningkatnya volume - tingkat energi baru muncul [8]. Jika salah satu dinding adalah piston yang dapat digerakkan, maka untuk menambah volumenya perlu bekerja pada piston - untuk meningkatkan energi dari nol getaran, artinya, piston cenderung bergerak ke dalam. Untuk medan elektromagnetik, ini disebut efek Casimir dan telah dikonfirmasi secara eksperimental. Gas cenderung mendorong dinding, memiliki tekanan positif yang menggerakkan piston keluar. Dalam pengertian ini, getaran titik-nol memiliki tekanan negatif, tetapi tidak ada antigravitasi di sini.

Materi gelap tidak ada hubungannya dengan "energi gelap". Ini adalah substansi nyata dengan massa, yang, untuk alasan yang tidak diketahui untuk saat ini, tidak secara langsung terlihat oleh para astronom. Kehadirannya dan bagiannya dalam massa total di Semesta dibuktikan dengan efek gravitasi pada lintasan bintang dan sinar cahaya. Pada awalnya itu seharusnya gas dingin, tetapi bahkan itu tidak bisa begitu transparan untuk cahaya dan gelombang radio. Tampaknya, partikel-partikel ini tidak berinteraksi dengan medan elektromagnetik. Terlepas dari kenyataan bahwa bagiannya dalam massa total kosmos yang diamati diperkirakan lebih dari 70%, di sekitar langsung tata surya praktis tidak ada materi gelap, sehingga partikelnya tidak dapat dideteksi.

Sastra
1. , . ., , . . . — 6-, . — .: , 1973. — 502 . — (« », II).
2. . . . .: - , 1956. Julian Schwinger. Phys. Rev. 82, 664 – Published 1 June 1951
3. V. F. Mukhanov and S. Winitzki. Introduction to Quantum Fields in Classical Backgrounds. Lecture notes. 2004. . Elementary Introduction to Quantum Fields in Curved Spacetime. Lecture notes by Sergei Winitzki. Heidelberg, April 18-21, 2006.
4. .. , .. , .. . , 33, 1061 (1971)
5. .. . . 1967. . 177, № 1. . 70 — 71
6. .. , .. . . 33, №10, 532 (1981)
7. V. F. Mukhanov. Physical Foundations of Cosmology. 2005.
8. Jan Ambjorn, Stephen Wolfram. href=«http://www.stephenwolfram.com/publications/academic/properties-vacuum-mechanical-thermodynamic.pdf»>Properties of vacuum.</a9. .. . « »? , 1988, № 4

Source: https://habr.com/ru/post/id399073/

More articles:


All Articles