Um universo fechado - como acontece, como explicá-lo de maneira mais simples e por que é impossível sair dele

1. Introdução

Muitos artigos populares sobre cosmologia, onde eles escrevem sobre matéria escura, os estágios iniciais do Universo, etc., foram escritos. No entanto, muitas pessoas não entendem o que é um universo fechado, como o nosso, e por que é fundamentalmente impossível sair dele. Isso requer um certo conhecimento mínimo da teoria geral da relatividade. Este artigo foi escrito para esclarecer essas coisas para os interessados, sem recorrer ao aparato da teoria geral da relatividade (se possível). No entanto, um bom conhecimento do curso escolar de física e um certo mínimo da teoria especial da relatividade (STR) são assumidos. Começaremos a considerar a questão do ponto de vista da teoria newtoniana da gravitação universal.

1. Como um mundo fechado é formado.

Considere uma bola homogênea composta de matéria, cujas partículas interagem apenas de acordo com a lei da gravitação universal. Esse assunto também é chamado de pulverizado. Obviamente, essa bola não pode estar em repouso devido a forças gravitacionais.Suponha que, no estágio inicial, a matéria se expanda uniformemente em todas as direções com rapidez . Aqui está o vetor do raio de uma partícula de matéria na bola, é a velocidade dessa partícula no tempo t, é a função do tempo que terá que ser determinada a partir das equações da mecânica. É fácil ver que essa distribuição de velocidade é realmente uma solução. Seja a massa total de partículas da bola M e o raio externo seja R (t). Como uma partícula é atraída apenas pela matéria que está mais próxima do centro da bola (a força de atração da esfera externa dentro dela é zero - esta é uma tarefa bem conhecida do curso escolar), a aceleração da gravitação universal em um ponto é igual à constante gravitacional. A aceleração cinemática de uma partícula é
.
A partir daqui, encolhe e desaparece das equações. Um ponto sobre uma função significa diferenciação de tempo. Para R (t) , temos a equação . Temos um sistema conjunto de equações diferenciais comuns, uma distribuição de velocidades como essa é realmente uma solução. Não há necessidade de procurar uma solução para o sistema de equações resultante; é importante apenas que ele exista. É fácil ver que, nesse caso, a bola permanece homogênea o tempo todo. Todas as partículas de matéria se afastam umas das outras a uma velocidade proporcional à distância entre elas (a lei Hubble da recessão de galáxias é a constante de Hubble).
, , - . . . M , – , M. . .

. É a velocidade da luz. Como toda a energia da bola é conservada, isso será verdade a qualquer momento. Isso mostra que, em uma densidade constante, um aumento levará ao fato de que a expressão entre parênteses se torna zero ou até se torna negativa. O que significa transformar a massa em zero para um corpo em repouso (ou seja, o centro de massa)? Esse organismo deixa de ser observável. Não interage gravitacionalmente, em colisões é impossível detectar. A bola cai fora do nosso mundo. O colapso em um buraco negro não tem nada a ver com esse fenômeno - um buraco negro necessariamente tem uma massa observável externamente.
O cálculo exato usando a teoria geral da relatividade mostra outra coisa interessante. À medida que a quantidade de matéria na bola aumenta, ou seja, M, a circunferência da bola cresce primeiro e depois começa a cair. A gravidade muda a geometria do espaço, como resultado, o tamanho da bola desaparece junto com sua massa - para um observador externo.

2. O que significa o isolamento do mundo?

O mundo fechado resultante é impossível de sair. De fato, suponha que algo com energia de massa diferente de zero tenha saído da bola para o mundo exterior. Para o observador externo, isso significa o surgimento da energia de massa do nada - para ele, a massa do mundo fechado é zero e esse mundo em si é inobservável. Para sair de fora para este mundo fechado também é impossível - você precisa rastejar para o pescoço de tamanho zero. Na verdade, será impossível encontrar essa garganta de tamanho zero. Para um mundo bidimensional, a situação é a seguinte:

para um objeto bidimensional de tamanho diferente de zero, é impossível passar de um plano para uma esfera. Não vai funcionar para rastejar pelo pescoço - o ponto de contato de uma esfera com um avião.

Conclusão

Aqui, os detalhes relativos à estrutura interna do mundo fechado não foram abordados, pois muito teria que estar envolvido na teoria geral da relatividade (GR). Seria necessário explicar como a geometria é determinada em GR, como resultado do qual o mundo fechado acaba sendo uma esfera tridimensional - a superfície de uma bola quadridimensional. Todos os pontos dessa esfera são absolutamente iguais, todos os observadores nesses pontos veem a mesma imagem. Este é o caso mais simples da cosmologia - na realidade, nosso Universo não é tão simétrico e, nos estágios inicial ou final, não é de todo simétrico.
O leitor pode perguntar: como uma enorme quantidade de matéria, na forma de uma esfera tão uniforme, desaparece do mundo material? Este assunto realmente se transforma em energia, que permanece no mundo exterior. De fato, nós, vivendo em um mundo fechado, não temos argumentos decisivos a favor do fato de que, além do nosso mundo que contém uma quantidade finita de matéria, existem alguns outros mundos. Um mundo fechado tem uma vida útil finita - desde o início da expansão ou do Big Bang até a compressão até certo ponto. Restará algo depois disso, só se pode especular a partir de considerações filosóficas.

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