Фрейзер «спрашивает космонавта» доктор Пол Мэтт Саттер - почему мы называем Большой взрыв сингулярностью, когда мы также называем особенности черных дыр?
Вселенная наполнена совпадениями. Или форму туманности Pac Man или туманности Wizard. Или, как в сюжете «Пробуждение силы» и любого другого фильма «Звездные войны», совпадения есть везде.
Но вот довольно странное совпадение, и оно имеет отношение к природе самой Вселенной. Следуйте за мной здесь.
Давайте рассмотрим черные дыры, тему, которую мы много раз обсуждали на этом канале. Если вы просмотрели достаточное количество наших видео, вы знаете, что черная дыра - это область пространства, в которой материя и энергия смешиваются настолько плотно, что скорость гравитационного выхода превышает скорость света.
Мы не знаем, насколько большие черные дыры, но возможно, что они раздавлены в бесконечно плотную область, известную как особенность.
Сингулярность, сингулярность ... где мы слышали это слово раньше? Помимо Рэя Курцвейла и его команды технологических сингулярников.
Это слово всплывает, когда мы обсуждаем формирование Вселенной; большой взрыв. В начале, 13,8 миллиардов лет назад, все во всей Вселенной было раздроблено в область бесконечной плотности. И затем, в доли секунды, все расширилось наружу.
Астрономы называют эту область бесконечной плотности сингулярностью Большого взрыва.
Это не может быть просто совпадением, верно? Это то же самое слово. Это то же самое слово!
Была ли сингулярность Большого взрыва просто сингулярностью большой черной дыры? Черная дыра со всей массой Вселенной внутри?
Я признаю, что этот вопрос немного выше моей зарплаты. Чтобы полностью объяснить науку, я подумала, что приведу звонок. Доктор Пол Мэтт Саттер - астрофизик из Университета штата Огайо и Астрономической обсерватории Триеста.
Пол специализируется на космических пустотах, он также знает много о Большом взрыве и черных дырах. Я добрался до Пола на съемках его подкаста «Спроси космонавта» и бросил этого зингера прямо в него.
Эй, Пол, в чем разница между сингулярностью, которая сформировала Большой Взрыв, и сингулярностью черной дыры?
1. Вся Вселенная началась с действительно массивной черной дыры?
Пол: Спасибо, Фрейзер. Поэтому, когда мы смотрим на особенности, важно помнить, что такое особенность. Сингулярность - это место бесконечной плотности, и это на самом деле не вещь. Это просто означает, что математика, которую мы используем для описания этой вещи, сломалась. Как будто мы получаем бесконечность в наших ответах, когда пытаемся вычислить, что происходит. Насколько нам известно, подобные вещи, эти сбои в математике происходят в двух местах. Один находится в центре черной дыры, где вещи сжаты до такой степени, что мы больше не можем следовать математике, а другой - в очень ранней вселенной, когда вся вселенная сокрушена до такого крошечного объема при такой высокой плотности, что мы не можем больше следовать математике. Так что это единственное, что у них общего - это особенность, что означает, что мы больше не можем выполнять математику.
Пол: И поэтому, хотя они одинаковы, они очень, очень разные. Сингулярность черной дыры - это точка в пространстве-времени - как вы живете во вселенной, и вы можете указать - есть сингулярность, как прямо здесь, или там, или там. Это часть вселенной, которая встроена в большую вселенную, тогда как особенность Большого взрыва - это целая вселенная. Другое дело, когда вся вселенная уплотняется с такой невероятно высокой плотностью, что наша математика уже не может это отслеживать.
2. Почему ранняя вселенная не упала обратно в черную дыру?
Пол: О, это очень хороший вопрос, Фрейзер. Вы думаете об этих невероятно высоких плотностях в ранней вселенной, и естественно задаться вопросом, почему она не просто ведет себя, как черная дыра, ведет себя и падает в бесконечно плотную точку - зачем вообще беспокоиться о расширении? И здесь важно помнить, насколько отличаются черные дыры от ранней вселенной. В обоих случаях мы используем общую теорию относительности - это законы гравитации - они управляют законами этих систем. Но мы используем один и тот же набор уравнений в разных сценариях. Мы используем их для описания разных вещей. Черная дыра - это частное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, и это решение возникает из вопроса: «Если я возьму кучу вещей и сожму их до невероятно высоких плотностей, что произойдет?» Ответ в том, что вы получаете особенность, окруженную горизонтом событий. Это один конкретный набор решений для математики этого сценария.
Пол: Но в ранней вселенной у нас другое решение - у нас происходит другое. Это другая вселенная. Решение для черной дыры статично - оно исправлено, оно не меняется со временем. Это предположение в математике. Но в ранней вселенной все меняется. Это другой набор вопросов, на которые мы пытаемся ответить, применяя общую относительность к ранней вселенной: «Если я равномерно наполняю всю вселенную целой кучей вещей, что делает вся вселенная?» Это другой вопрос, чем вопрос, который мы задаем о черных дырах, и поэтому мы получаем другой ответ. Таким образом, даже несмотря на то, что мы имеем эту невероятно высокую плотность, математическое решение, описывающее ее, потому что мы описываем эволюцию Вселенной во времени, мы получаем разные ответы, чем мы получаем для битов черной дыры. И когда дело доходит до ранней вселенной - когда вы равномерно заполняете ее кучей вещей и спрашиваете, что, черт возьми, происходит со вселенной, есть только два ответа. Либо материал во вселенной вызывает разрушение и сжатие материала, либо материал во вселенной вызывает расширение вселенной. И это зависит от того, из чего состоит вселенная, и оказывается, достаточно ловко, что вселенная сделана из материала, который заставляет ее расширяться. Именно этот компонент временной эволюции здесь важен - он устанавливает разницу между тем, что происходит в ранней вселенной, и тем, что происходит в черной дыре.
3. Могли ли черные дыры образоваться в ранней Вселенной, потому что она имеет такие высокие плотности?
Пол: О да, очень умно, Фрейзер. Я вижу, куда ты идешь с этим. С невероятно высокой плотностью вам интересно, может быть, маленький кусочек вселенной оторвался и образовал черную дыру. Может быть, в те ранние микросекунды. И почему эта черная дыра не расширилась, чтобы поглотить остальную часть вселенной? И ключ здесь не в плотности, а в разнице в плотности. Что отличает черную дыру от меня, так это то, что она намного плотнее меня, по крайней мере, я на это надеюсь. Вот что делает его черной дырой. Он намного плотнее, чем его окружение. Но для того, чтобы создать эту черную дыру, вам нужно было немного дополнительных вещей, таких как в кармане, например, дополнительное газовое облако или звезда, немного более высокой плотности, чем обычно. Тогда гравитация может сработать и начать набирать больше материала, и еще больше материала, и все больше и больше, строить и строить, пока не получится гравитационный коллапс, который приведет к черной дыре.
Пол: Но в ранней вселенной все было единообразно. Там не было никаких различий в гравитации. Да, это была невероятно высокая плотность, но если бы вы могли перенестись туда и действительно выжить, вы не почувствовали бы никакого гравитационного притяжения где-либо, потому что каждое направление имеет одинаковую плотность. Вы окружены одинаковым количеством вещей во всех направлениях - гравитации нет. Все это отменяет друг друга. Таким образом, у черной дыры нет возможности сформироваться, потому что любое одно пятно во вселенной не более плотное, чем любое другое, поэтому вся гравитация сводится на нет, и вы ничего не получаете. Никаких черных дыр - они не появятся на сцене намного, намного позже в эволюции вселенной, и к тому времени вселенная станет настолько большой, что черные дыры не смогут повлиять на общую эволюцию.
4. Сейчас вселенная расширяется - когда-нибудь она рухнет?
Пол: Да, многие астрофизики и космологи беспокоятся об этом десятилетия назад - мы думали, что да, может быть, вселенная расширяется сейчас, но, возможно, в ней слишком много вещей - возможно, это расширение замедлится, остановится, а затем наоборот, и тогда мы окажемся в этом большом сценарии большого кризиса, противоположном Большому взрыву.
Пол: Но оказывается, темная энергия здесь, и темная энергия ускоряет расширение вселенной, поэтому не только вселенная становится все больше и больше с каждым днем, она становится все быстрее и быстрее с каждым днем. И это, ну, вроде как отстой.
Это звучит довольно открыто и закрыто, но это еще не все в этом путешествии. Если бы вы взяли массу и энергию всей Вселенной и превратили ее в черную дыру, она имела бы почти такую же плотность, что и сама Вселенная, и горизонт событий, превышающий наблюдаемую Вселенную.
Значит ли это, что мы на самом деле живем внутри черной дыры? Можем ли мы сказать разницу?
Подкаст (аудио): Скачать (Продолжительность: 5:13 - 4,8 МБ)
Подписаться: Apple Podcasts | Android | RSS
Подкаст (видео): Скачать (Продолжительность: 5:35 - 66,3 МБ)
Подписаться: Apple Podcasts | Android | RSS
