Калі вы ўяўляеце Сусвет як поўны набор матэрыі і энергіі, якую мы ведаем, і на ранніх этапах усё гэта было сціснута ў малюсенькую прастору космасу, то чаму б ён не разваліўся ў чорную дзірку? (Біблінгамскія бібліятэкі)

Вось чаму наша Сусвет не абвалілася ў чорную дзірку

Калі на Вялікім выбуху ўсё было горача, шчыльна і супер цесна, што нас перашкаджала разваліцца на незвычайнасць?

Вялікі выбух - адна з найбольш контрдуітыўных ідэй там. Калі вы думаеце аб тым, каб узяць усю матэрыю і энергію ў Сусвеце і пачаць яе ў маленечкай прасторы космасу, ці не здаецца гэта малаверагодным, каб яна пашырылася з дакладнасцю хуткасці, неабходнай для таго, каб даць нам Сусвет, які мы бачым сёння? Ці не будзе значна верагодней проста гравітацыйна разваліцца на самы шчыльны аб'ект, які Сусвет можа ўтрымліваць: чорную дзірку? Зразумела, што гэтага не адбылося. Але разуменне таго, што гэтага не адбылося, можа быць проста адным з самых глыбокіх пытанняў, якія вы можаце задаць, каб зразумець Сусвет, які мы насяляем.

Сусвет, якая разрастаецца, поўная галактык і складаная структура, якую мы назіраем сёння, узнікла з меншага, больш гарачага, шчыльнага і больш раўнамернага стану. Чаму Сусвет пашыраецца, як і раней, а не абвальваецца ў чорную дзірку, патрабуе тлумачэння. (К. Фошер-Жыгер, А. Лідз і Л. Эрквіст, навука 319, 5859 (47))

Калі б вы ведалі з першых прынцыпаў, якія законы фізікі былі ўсюды і ва ўсе часы нашага Сусвету, гэтага ўсё роўна не было б для вас, каб прыдумаць прадказанне, што Сусвет, як мы бачым, павінен існаваць. Паколькі законы фізікі ўсталёўваюць правілы таго, як сістэма развіваецца з цягам часу, ёй усё яшчэ патрэбны набор пачатковых умоў, каб пачаць працу. Так ці інакш, як тканіна Сусвету пашыралася ў самыя раннія моманты, мы можам зразумець збалансаванасць гэтай тэндэнцыі матэрыі і энергіі да гравітацыі і развалу. Каб убачыць, як усё гэта працуе, вернемся да нараджэння нашай самай паспяховай тэорыі гравітацыі - агульнай адноснасці - каля 100 гадоў таму.

Арбіты планет і каметаў, сярод іншых нябесных аб'ектаў, кіруюцца законамі ўсеагульнага гравітацыі. (Кей Гібсан, Ball Aerospace & Technologies Corp)

Да Эйнштэйна прынята тэорыя гравітацыі была Законам аб усеагульным гравітацыі Ньютана. Усе гравітацыйныя з'явы ў Сусвеце: ад паскарэння мас на Зямлі да арбіт лун вакол планет да саміх планет, якія круцяцца вакол Сонца, яго тэорыя апісала ўсё гэта. Аб'екты аказвалі аднолькавыя гравітацыйныя сілы адно на адно, яны паскараліся ў зваротнай прапорцыі да іх масы, і сіла падпарадкоўвалася закону зваротнага квадрата. Да таго часу 1900-я гады прайшлі неверагодную праверку, і выключэнняў не было. Ну, і з тысячамі тысячамі поспехаў у яго заслугах практычна не было выключэнняў.

Адной з праблемаў ньютонаўскай тэорыі была ідэя, высунутая Эйнштэйнам, але раней створаная Лорэнцам, Фіцджэральдам і іншымі, што аб'екты, якія хутка рухаюцца, выяўляліся ў памяшканні і пашыраліся ў часе. Прастора і час раптам не выглядалі настолькі фіксаванымі і абсалютнымі. (Кёрт Реншо)

Але з праніклівымі і тымі, хто звяртаў вялікую ўвагу на дэталі, узнікла некалькі праблем:

  1. На вельмі вялікіх хуткасцях - гэта значыць пры хуткасці набліжэння хуткасці святла - ідэі Ньютана аб абсалютным прасторы і абсалютным часе больш не трымаліся. Радыёактыўныя часціцы жылі даўжэй, адлегласць скарачалася, і "маса" не з'яўлялася асноўнай крыніцай гравітацыі: такая пашана выглядала так, быццам яна ішла да энергіі, маса якой - толькі адна форма.
  2. У самых моцных гравітацыйных палях - прынамсі, калі менавіта таму мяркуецца, што планета Меркурый з'яўляецца асаблівай сярод планет Сонечнай сістэмы на арбіце вакол Сонца - прагноз Ньютона для гравітацыйнага паводзін аб'ектаў злёгку, але прыкметна адыходзіць ад таго, што мы назіраем. Гэта як быццам, калі вы набліжаецеся да вельмі маштабнай крыніцы, ёсць звышнатуральная сіла, на якую гравітацыя Ньютона не ўлічвае.

Пасля гэтага адбыліся дзве распрацоўкі, якія праклалі шлях новай тэорыі, каб перамагчы бліскучую, але шматвяковую канцэпцыю Ньютана.

У ньютонаўскай карціне гравітацыі, прасторы і часу абсалютныя, фіксаваныя велічыні, у той час як на эйнштэйскай карціне прастора-час - гэта адзіная адзіная структура, у якой тры вымярэння прасторы і адзін вымярэнне часу непарыўна звязаны. (НАСА)

Першая буйная распрацоўка заключалася ў тым, што прастора і час, якія раней разглядаліся як асобная трохмерная прастора і лінейная колькасць часу, былі аб'яднаны ў матэматычную аснову, якая стварыла чатырохмерны "прастора-час". Гэта было зроблена ў 1907 годзе Германам Мінькоўскім:

Погляды на прастору і час, якія я хацеў бы закласці, перш чым вы паўсталі з глебы эксперыментальнай фізікі, і ў гэтым і заключаецца іх сіла. […] Цяпер прастора сама па сабе і час сам па сабе асуджаны згасаць у проста цені, і толькі своеасаблівы саюз двух захавае незалежную рэальнасць.

Гэта працавала толькі для плоскай, эўклідавай прасторы, але ідэя была неверагодна магутнай матэматычна, бо прывяла да ўсіх законаў асаблівай адноснасці як непазбежнага наступства. Калі гэтая ідэя касмічнага часу была прыменена да праблемы арбіты Меркурыя, прагноз ньютонаў у гэтай новай рамцы наблізіўся да назіранай велічыні, але ўсё-ткі апусціўся.

Уяўленне плоскага, пустога прасторы, незалежна ад таго, з якім бы тыкам ні было энергіі і крывізны. (Эмбер Сцювэр, з яе блога, Жывая Ліга)

Але другая распрацоўка адбылася ад самога Эйнштэйна, і была ідэя, што касмічны час зусім не быў плоскім, а быў крывым. І самае, што вызначала скрыўленне прасторы-часу, было наяўнасць энергіі ва ўсіх яе формах, у тым ліку і ў масе. Апублікаванае ў 1915 г. рамка Эйнштэйна было неверагодна складана падлічыць, але паўсюдна прадставіла навукоўцам велізарны патэнцыял для мадэлявання фізічных сістэм да новага ўзроўню дакладнасці і дакладнасці.

Касмічны час Мінькоўскага адпавядаў пустым Сусвету, альбо Сусвету, які не мае ніякага энергіі і матэрыя.

Было праведзена незлічоная колькасць навуковых выпрабаванняў агульнай тэорыі адноснасці Эйнштэйна, падвяргаючы гэтую ідэю некаторым з самых жорсткіх абмежаванняў, калі-небудзь атрыманых чалавецтвам. Першае рашэнне Эйнштэйна заключалася ў абмежаванні слабога поля вакол адной масы, падобнай да Сонца; ён выкарыстаў гэтыя вынікі ў нашай Сонечнай сістэме з драматычным поспехам. (Навуковае супрацоўніцтва LIGO / Т. Піл / Caltech / MIT)

Эйнштэйн змог знайсці рашэнне, дзе ў вас была Сусвет з адной адзінай масавай крыніцай адзінкавай кропкі ў ёй і пры ўмове, што вы знаходзіцеся па-за межамі гэтай кропкі. Гэта прывяло да прагназавання ньютонаў на вялікіх адлегласцях, але дало больш моцныя вынікі на бліжэйшых адлегласцях. Гэтыя вынікі не толькі супадалі з назіраннямі арбіты Меркурыя, якую гравітацыя Ньютона не ўдалося прадказаць, але і зрабілі новыя прагнозы наконт прагіну зорнага святла, якія былі б бачныя падчас поўнага зацьмення Сонца, прагнозы, якія пазней былі пацверджаны падчас сонечнага зацьмення 1919 года.

Вынікі экспедыцыі Эддынгтана 1919 г. паказалі канчаткова, што Агульная тэорыя адноснасці апісвала выгіб зорнага святла вакол масіўных аб'ектаў, скідаючы карціну Ньютона (Ілюстраваныя Лонданскія навіны, 1919 г.)

Але было іншае рашэнне - дзіўнае і цікавае - яно выйшла праз некалькі тыдняў пасля таго, як Эйнштэйн апублікаваў сваю агульную тэорыю адноснасці. Карл Шварцшыльд распрацаваў дадатковыя падрабязнасці таго, што адбываецца з канфігурацыяй з адзінай адзінкавай масай адвольнай велічыні, і тое, што ён знайшоў, было выдатным:

  • На вялікіх адлегласцях рашэнне Эйнштэйна трымалася, зводзячы да вынікаў Ньютана ў межах далёкага поля.
  • Але вельмі блізка да масы - на вельмі пэўнай адлегласці (R = 2М, у натуральных адзінках) - вы даходзіце да кропкі, калі ад яе нічога не выйдзе: гарызонт падзеі.
  • Больш за тое, у межах гэтага гарызонту падзей усё, што трапляе непазбежна, руйнуецца да цэнтральнай незвычайнасці, што непазбежна як следства тэорыі Эйнштэйна.
  • І, нарэшце, любая першапачатковая канфігурацыя нерухомай пылу (напрыклад, рэчыва, якая мае нулявую пачатковую хуткасць і не ўзаемадзейнічае сама з сабой), незалежна ад формы або размеркавання шчыльнасці, непазбежна абрынецца на нерухомую чорную дзірку.

Гэта рашэнне - метрыка Шварцшыльда - стала першым поўным, нетрывіяльным рашэннем агульнай адноснасці, якую калі-небудзь выявілі.

Парабалоід полымя, паказаны тут, уяўляе сабой крывізну прасторы-часу за межамі гарызонту падзей чорнай дзіркі Шварцшыльда. Пасля таго, як вы ўпадзеце, усё скончыцца; Ваша лепшая стаўка - свабоднае падзенне, як быццам вы ўпалі з адпачынку. Толькі гэтая траекторыя максімальна павялічыць ваш час выжывання. (AllenMcC. Вікісховішча)

Такім чынам, маючы на ​​ўвазе, што з гарачай, шчыльнай, ранняй Сусвету, дзе ўся матэрыя-энергія, якая ў цяперашні час разляцелася на плошчу каля 92 мільярдаў светлавых гадоў, змяшчалася ў аб'ёме прасторы, не большай за нашу ўласную Сонечную Сістэма?

Памер Сусвету ў светлавыя гады супраць часу, які прайшоў пасля Вялікага выбуху. Гэта прадстаўлена ў лагарыфмічным маштабе з шэрагам важных падзей, якія адзначаюцца для нагляднасці. (Э. Зігель)

Тое, што вы павінны абернуць сваю думку, заключаецца ў тым, што, як і ў касмічны час Мінкоўскага, рашэнне Шварцшыльда з'яўляецца статычным, гэта значыць, што метрыка космасу не развіваецца з цягам часу. Але ёсць шмат іншых рашэнняў - прастора дэ Сітэра для аднаго і метрыка Фрыдмана-Лематра-Робертсана-Уокера, для іншага - якія апісваюць прастору, якое альбо пашыраецца, альбо скарачаецца.

Калі б мы пачыналі з матэрыі і энергіі, якую наша Сусвет мела на ранніх стадыях Вялікага выбуху, і не было б Сусвет, які хутка развіваецца, а статычны, а той, дзе ні адна з часціц не аказала ціску, з ненулявой хуткасцю, уся гэтая энергія сфармавала б чорную дзірку Шварцшыльда ў вельмі кароткім парадку: практычна імгненна. Але агульная адноснасць мае і яшчэ адзін важны нюанс: не толькі наяўнасць матэрыі і энергіі вызначае крывізну вашага прасторы і часу, але і ўласцівасці і эвалюцыя ўсяго вашага прасторы вызначае эвалюцыю гэтага самога касмічнага часу!

Графік відавочнай хуткасці пашырэння (вось у) супраць адлегласці (вось х) адпавядае Сусвету, які пашыраўся хутчэй у мінулым, але працягвае пашырацца і сёння. Гэта сучасная версія, якая распаўсюджваецца ў тысячы разоў далей, чым арыгінальная праца Хабла. Розныя крывыя ўяўляюць сабой Сусветы, складзеныя з розных складнікаў кампанентаў (Нед Райт, заснаваны на апошніх дадзеных Betoule et al. (2014))

Самае характэрнае ў тым, што з моманту Вялікага выбуху мы ведаем, што ў нашай Сусвеце ёсць толькі тры магчымыя варыянты, якія залежаць ад матэрыі і энергіі, прысутных у ёй, і ад пачатковай хуткасці пашырэння:

  • Хуткасць пашырэння магла быць недастаткова высокай для колькасці матэрыі і энергіі, прысутнай у ёй, гэта азначае, што Сусвет пашырылася б (хутчэй за ўсё, кароткі) час, дасягнула б максімальнага памеру і зноў узнікла б. Няправільна казаць, што ён абрынецца ў чорную дзірку (хаця гэта і павабная думка), бо сама прастора разваліцца разам з усёй матэрыяй і энергіяй, што прывядзе да незвычайнасці, вядомага як Вялікі крыж.
  • З іншага боку, хуткасць пашырэння можа быць занадта вялікай для колькасці рэчываў і энергіі, прысутных у ёй. У гэтым выпадку ўся матэрыя і энергія будуць разбівацца на хуткасці, занадта хуткай для гравітацыі, каб вярнуць усе кампаненты Сусвету разам, і для большасці мадэляў, гэта прывядзе да таго, што Сусвет занадта хутка пашырыцца, каб утварыць галактыкі, планеты, зоркі ці нават атамы ці атамныя ядра! Сусвет, дзе хуткасць пашырэння была занадта вялікая для колькасці рэчыва і энергіі, якая змяшчаецца ў ім, была б сапраўды пустым, пустым месцам.
  • Нарэшце, ёсць выпадак "Златогалоса", альбо той выпадак, калі Сусвет знаходзіцца прама на бурбалцы паміж узгадваннем (што было б зрабіць, калі б быў толькі адзін пратон) і пашыраецца ў нябыт (што б зрабіць, калі б у яго быў адзін меншы пратон ), а замест гэтага проста асімптоты да стану, калі хуткасць пашырэння апускаецца да нуля, але ніколі не атрымліваецца ўзгадаць.

Як высвятляецца, мы жывем практычна ў выпадку Златодакса, з невялікай колькасцю цёмнай энергіі, кінутай у сумесь, што робіць хуткасць пашырэння толькі крыху большай, і гэта азначае, што ў рэшце рэшт усё, што гравітацыйна не звязана ўжо, будзе разганяюць у бездань глыбокай прасторы.

Чаканыя лёсы Сусвету (тры лепшыя ілюстрацыі) адпавядаюць Сусвету, дзе матэрыя і энергія змагаюцца з пачатковай хуткасцю пашырэння. У нашай назіральнай Сусвеце касмічнае паскарэнне выклікана нейкай цёмнай энергіяй, якая да гэтага часу невытлумачальная. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Характэрна тое, што колькасць тонкай налады, якая павінна была адбыцца, каб хуткасць пашырэння Сусвету і шчыльнасць матэрыі і энергіі адпавядалі настолькі добра, што мы не ўзніклі адразу, альбо не сфармавалі нават асноўныя будаўнічыя блокі Матэрыял - гэта нешта накшталт адной часткі ў 10², што падобна на тое, каб прыняць двух чалавечых істот, падлічыць колькасць электронаў у іх і выявіць, што яны аднолькавыя ўнутры аднаго электрона. На самай справе, калі мы вернемся да часу, калі Сусвет была толькі адной нанасекунднай старой (з часу Вялікага выбуху), мы зможам колькасна вызначыць, наколькі неабходна дакладна наладзіць шчыльнасць і хуткасць пашырэння.

Калі б Сусвет мела толькі крыху больш высокую шчыльнасць (чырвоны), яна б узгадвала ўжо; калі б ён меў толькі крыху меншую шчыльнасць, ён пашырыўся б значна хутчэй і стаў значна большым. (Падручнік па касмалогіі Нэда Райт)

Узровень, з якім хуткасць пашырэння і агульная шчыльнасць энергіі павінны ўраўнаважвацца, вар'яцка дакладныя; малюсенькая змена таму прывяла б да Сусвету, значна адрозніваецца ад таго, што мы зараз назіраем. І тым не менш, гэтая дакладна наладжаная сітуацыя вельмі моцна апісвае ў нас Сусвет, які не разваліўся адразу і не пашырыўся занадта хутка, утварыўшы складаныя структуры. Замест гэтага яно спарадзіла ўсё дзіўнае разнастайнасць ядзерных, атамных, малекулярных, клеткавых, геалагічных, планетарных, зорных, галактычных і кластарных з'яў, якія мы маем сёння. Нам пашанцавала, што зараз побач, каб даведацца пра ўсё, што мы маем пра яго, і яшчэ больш займацца прадпрыемствам навучання: працэсам навукі. Сусвет не развалілася ў чорную дзірку з-за надзвычай збалансаваных умоў, пры якіх яна нарадзілася, і гэта, магчыма, проста самы дзіўны факт з усіх.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".