Pergunte a Ethan # 50: por que o universo não se transformou em um buraco negro?
Dado que toda essa matéria e toda a energia estavam tão fortemente reunidas em um só lugar, e eram tão densas na época do Big Bang - por que o Universo não se lembrou?
"Este é um imenso angenehm, über strenge Lösungen einfacher Form zu verfügen." (É sempre bom ter à sua disposição a solução exata de uma maneira simples)
- Karl Schwarzschild
Mesmo se você conhecesse todas as leis da física em todos os lugares do Universo a qualquer momento, isso ainda não seria suficiente para prever o estado atual do Universo. Visto que, embora as leis da física estabeleçam as regras para a evolução de um sistema, ele ainda precisa de um conjunto de condições iniciais para começar. Esta semana, nossa edição é dedicada à questão de Adreas Lauser, que pergunta:Embora eu tenha poucas dúvidas de que a teoria do Big Bang esteja correta, ou, como você diria, uma boa aproximação do que aconteceu, há uma coisa em que penso quando penso sobre essa parte da cosmologia. Existe uma explicação para o fato de o Universo não se transformar imediatamente em um buraco negro? Acredito que sua densidade inicial foi muito maior que o limite de Schwarzschild.
Já discutimos essa questão , mas você precisa de mais detalhes e de uma resposta melhor do que eu forneci. Voltemos ao momento do nascimento da teoria da gravidade mais bem-sucedida, GR, 100 anos atrás.
Antes de Einstein, a lei da gravidade newtoniana era a teoria da gravidade reconhecida. Todos os fenômenos gravitacionais do Universo, desde a aceleração das massas na Terra, até as órbitas das luas ao redor dos planetas e as órbitas dos próprios planetas ao redor do Sol, foram descritos por sua teoria. Os objetos exerceram forças de atração iguais e opostas, ao interagirem entre si, aceleraram inversamente com a massa e as forças obedeceram à lei universal dos quadrados inversos. Nos anos 1900, a lei foi bem testada e nenhuma exceção foi encontrada. Bem, mais precisamente, entre os milhares e milhares de ensaios bem-sucedidos, eles praticamente não foram encontrados.
Mas para mentes visionárias e interessados em detalhes, havia alguns problemas.1. Em velocidades muito altas, aproximando-se da velocidade da luz, as idéias de Newton sobre espaço e tempo absolutos não conseguiam mais lidar. As partículas radioativas viveram mais, as distâncias foram comprimidas e a massa não era a principal fonte de atração - essa honra parecia passar à energia, e a massa era apenas uma de suas formas.2. Em campos gravitacionais muito fortes - pelo menos se, por causa disso, Mercúrio fosse um planeta especial em nosso sistema solar, girando em torno do Sol - as previsões de Newton sobre o comportamento gravitacional dos objetos eram um pouco, mas visivelmente, diferentes das observações. Parecia que, se você estivesse perto de fontes muito massivas, surgiria uma força adicional de atração, que a gravidade newtoniana não levaria em conta.Depois de tudo isso, surgiram dois desenvolvimentos que abriram o caminho para uma nova teoria que veio substituir a de Newton - um conceito brilhante, mas muito antigo, que descreve os princípios do trabalho do Universo.
O primeiro desenvolvimento dos cientistas foi que espaço e tempo, anteriormente considerados entidades separadas (espaço tridimensional e tempo linear), foram combinados em um aparato matemático que criou o espaço-tempo quadridimensional. Isso foi feito em 1907 pelo alemão Minkowski:As visões sobre o espaço e o tempo que quero apresentar a você cresceram com base na física experimental, e essa é a força delas. [...] Portanto, o espaço em si e o tempo em si estão destinados a desaparecer nas sombras, e apenas a união dos dois permanecerá no papel de realidade independente.
Isso funcionou apenas no espaço euclidiano plano, mas a idéia era extremamente poderosa do ponto de vista da matemática, e todas as leis da relatividade geral se tornaram sua conseqüência inevitável. Quando essa idéia foi aplicada ao problema da órbita de Mercúrio, a previsão newtoniana, considerando o novo aparato, aproximou-se levemente dos parâmetros observados, mas ainda não os alcançou.
O próprio Einstein fez o segundo desenvolvimento, e foi a ideia de que o espaço-tempo não é plano, mas curvado. E o próprio fator determinante da curvatura do espaço-tempo foi a presença de energia em todas as suas manifestações, incluindo a massa. Publicado em 1915, o aparelho de Einstein era terrivelmente difícil de usar para cálculos, mas dava a todos os cientistas grandes oportunidades de modelar sistemas físicos com um novo nível de precisão.O espaço-tempo de Minkowski correspondia a um universo vazio que não continha energia e matéria de nenhum tipo.
Einstein conseguiu encontrar uma solução na qual o Universo tivesse uma única massa de pontos, com a condição de que você estivesse fora desse ponto. Tudo se resumia às previsões newtonianas a longas distâncias, mas fornecia dados mais precisos a pequenas distâncias. Os resultados não apenas coincidiram com a observação da órbita de Mercúrio, que a gravidade newtoniana não previu, mas também possibilitaram novas suposições sobre a curvatura da luz solar, que podem ser vistas em um eclipse solar total - essas previsões foram confirmadas mais tarde, durante o eclipse de 1919.
Mas há outra solução, inesperada e interessante, que surgiu poucas semanas após a publicação do ETO por Einstein. Karl Schwarzschild elaborou os detalhes do que acontece na configuração com um único ponto de massa de magnitude arbitrária, e o que ele descobriu foi incrível:- A grandes distâncias, a solução de Einstein funciona e reduz a resultados newtonianos
- Mas muito perto da massa, a uma distância de R = 2M em unidades naturais, você chega a um ponto em que nada pode escapar - o horizonte de eventos.
- Além disso, tudo dentro do horizonte de eventos inevitavelmente desmorona para uma singularidade central, que é uma conseqüência inevitável da teoria de Einstein.
- , , , , , .
Essa solução, a métrica de Schwarzschild, foi a primeira solução completa e não trivial de GR.
Lembremos de tudo o que foi exposto e passemos à essência da questão: e o Universo quente e denso, onde toda a matéria e energia, agora espalhadas por 92 bilhões de anos-luz de espaço, estavam contidas em um volume não maior que o nosso sistema solar?
Mas é preciso ter em mente que, como Minkowski no espaço-tempo, a solução de Schwarzschild é estática, ou seja, a métrica do espaço nela não muda com o tempo. Mas existem muitas outras soluções - o espaço de Sitter, a métrica de Friedman-Robertson-Walker que descreve o espaço-tempo, que se expande ou contrai.
Se começássemos com a matéria e a energia que estavam contidas no Universo nos estágios iniciais do Big Bang, e nosso Universo não estaria se expandindo, mas estático, e também não haveria partículas com velocidade diferente de zero e as partículas não colidiriam umas com as outras. - toda essa energia formaria um buraco negro de Schwarzschild muito rapidamente, quase instantaneamente. Mas na GRT há outro obstáculo importante: além do fato de que a presença de matéria e energia determina a curvatura do espaço, tudo o que existe nesse espaço também determina a evolução do próprio espaço-tempo!
O que é mais surpreendente, sabemos que desde o Big Bang, nosso Universo tem apenas três opções possíveis de desenvolvimento, dependendo da matéria e energia presentes nele e da taxa inicial de expansão.- , . , , , . , , , , , ( , Big Crunch).
- , . , , , , . .
- , , ( , ) ( ), , , .
Acontece que vivemos quase na zona dos Cachinhos Dourados, mas com a adição de uma pequena quantidade de energia escura, o que aumenta levemente a taxa de expansão, e isso significa que, no final, toda a matéria que não está gravitacionalmente unida se separará e desaparecerá no abismo do espaço profundo .
O que é surpreendente aqui é quantos ajustes precisos tiveram que acontecer para que a taxa de expansão do Universo e a densidade de matéria e energia coincidissem tão bem que não colapsássemos imediatamente para trás nem nos expandíssemos para não sermos capazes de formar os tijolos básicos para a construção de matéria. A probabilidade disso é de aproximadamente uma em 10 ^ 24, e aproximadamente igual à probabilidade com que duas pessoas, tendo contado o número de elétrons contidas nelas, descobririam que são idênticas à precisão de um elétron. Se voltássemos no tempo em que a era do Universo era apenas um nanossegundo a partir do momento do Big Bang, poderíamos calcular numericamente quão bem a densidade e a velocidade da expansão são ajustadas.
Na minha opinião, uma história bastante incrível!E, no entanto, é assim que podemos descrever nosso Universo, que não entrou em colapso imediatamente e não se expandiu muito rapidamente para que estruturas complexas não pudessem se formar nele. Em vez disso, deu origem a toda uma maravilhosa variedade de fenômenos nucleares, atômicos, moleculares, celulares, geológicos, planetários, estelares, galácticos e de agrupamentos que podemos observar. É uma sorte que existamos e que aprendemos tudo o que aprendemos e que estamos envolvidos no processo de cognição adicional: na ciência.
Source: https://habr.com/ru/post/pt394791/
All Articles