23 октомври 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Защо Вселената не се е превърнала в черна дупка?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 05 юни 2016 в 10:00140013

Като се има предвид, че цялата тази материя и енергия са били толкова нагъсто на едно място в момента на Големия взрив - защо Вселената не е колапсирала в черна дупка? На този въпрос отговаря астрофизикът Итън Сийгъл (Ethan Siegel) в своя блог.

Дори да знаехме всички закони на физиката навсякъде във Вселената по всяко време, това пак нямаше да е достатъчно, за да предскажем текущото състояние на Вселената. Защото, макар законите на физиката да определят правилата на развитието на системата, за старта на Вселената е нужен набор от първоначални условия. 

И така - защо Вселената не се е превърнала веднага в черна дупка? Със сигурност в началото плътността е била много по-висока от границата на Шварцшилд.

Да се ​​върнем към времето на раждането на най-успешната теория на гравитацията, общата теория на относителността, преди 100 години.

Източник: Phil Medina / Mr. Sci Guy, via http://www.mrsciguy.com/Physics/Newton.html.

Преди Айнщайн се използваше за теория на гравитацията закона за всеобщото привличане на Нютон. Всички гравитационни явления във Вселената, от ускоряването на масите на Земята до орбитите на спътниците около планетите и планетите обикалящи около Слънцето, се описва от неговата теория. Обектите изпитват равни и противоположни гравитационни сили на привличане, те се ускоряват обратно пропорционално на тяхната маса, а силата е обратно пропорционална квадратите. До 1900 година законът е добре проверен и не са намерени изключения. Е, по-точно сред хилядите успешни проверки почти не са намерени.

Източник: Curt Renshaw, via http://renshaw.teleinc.com/papers/simiee2/simiee2.stm.

Но за проницателните умове и тези, които се интересуват от подробностите, имаше няколко проблема.

  1. При много високи скорости, приближаващи скоростта на светлината, Нютоновите представи за абсолютно пространство и време вече не се справят. Радиоактивните частици . живеят по-дълго, разстоянията се свиват, а масата не е основният източник на привличане - тази чест изглежда се пада на енергията, а масата е само една от нейните форми.
  2. В много силни гравитационни полета - например заради това Меркурий е специална планета в нашата слънчева система, въртяща се около слънцето - предсказанията на Нютон за гравитационното поведение на обектите малко, но забележимо, се различава от наблюденията. Изглежда, че много близо до много масивни източници се появява допълнителна сила на привличане, която Нютоновата гравитация не взема под внимание.

След всичко това се появиха две тенденции, проправящи пътя за една нова теория, която идва да замени Нютоновата - гениална, но много стара концепция, която описва принципите на Вселената.

Източник: Wikibooks, via http://en.wikibooks.org/wiki/
Special_Relativity/Spacetime.

Първата разработка на учените бе тази, че пространството и времето, по-рано разгледани като отделни същности (триизмерното пространство и линейното време) няха обединени в математическия апарат, създадващ четириизмерно пространство-време. Това направи през 1907 г. Херман Минковски: 

Възгледите за пространството и времето, които искам да ви изложа, израснаха върху почвата по експерименталната физика, и в това е тяхната сила. [...] По този начин, пространството само по себе си и времето само по себе си, са обречени да изчезнат в сенките, и само обединението на двете ще остане в ролята на независима реалност.

Това работи само за плоско евклидово пространство, но идеята е изключително мощна от гледна точка на математиката, и нейната неизбежна последица станаха всички закони на Общата теория на относителността. Когато тази идея бе приложена към проблема с орбитата на Меркурий, Нютоновата прогноза като се вземе предвид новия апарат леко се приближи до наблюдаваните параметри, но все още не ги достигна.

Пространство-времето на Минковски съответства на празна Вселена, която не съдържа никаква енергия и материя.Източник: Martín Fernández de Córdova, via https://martinfdc.wordpress.com/2012/10/08/grid/.

Втората разработка направи самият Айнщайн, и това бе идеята, че пространство-времето не е плоско, а изкривено. И по този начин факторът, определящ кривината на пространство-времето, е присъствието на енергията във всичките й прояви, включително масата. Публикуван през 1915 г., апаратът на Айнщайн е ужасно сложен за използване за изчисления, но дава на учените огромни възможности за моделиране на физични системи на ново ниво на прецизност. 

Пространство-времето на Минковски съответства на празна Вселена, която не съдържа никаква енергия и материя.

Източник: Carin Cain, via http://physics.aps.org/articles/v2/71.

Айнщайн успя да намери решение, което се свежда до Нютоновата прогноза за големи разстояния, но дава по-точни данни за малки. Резултатите се съгласуват не само с наблюденията на орбитата на Меркурий, които Нютоновата гравитация не пресказва, но също така доведе до новата хипотеза за изкривяването на слънчевата светлина, което може да се види по време на пълно слънчево затъмнение - тези прогнози бяха потвърдени по-късно по време на затъмнението през 1919 година.

Images credit: New York Times, 10 November 1919 (L); Illustrated London News, 22 November 1919 (R).

Но има и още едно решение, неочаквано и интересно, публикувано само след няколко седмици след публикуването на Общата теория на относителността на Айнщайн. Карл Шварцшилд разработва детайлите на това, което се случва в конфигурация с една-единствена точкова маса с произволна стойност, и това, което той открива е поразително: 

  • На големи разстояния решението на Айнщайн работи и се свежда до Нютоновите резултати 
  • Но много близо до масата, на разстояние R = 2М в естествени единици, ще се достигне до точка, от където нищо не може да избяга - хоризонтът на събитията.
  • Нещо повече, всичко вътре в хоризонта на събитията неизбежно се свива до централната сингулярност, което е неизбежно следствие от теорията на Айнщайн.
  • И накрая, всяка първоначална конфигурация на неподвижни, без налягане прашинки (тоест, с нулева начална скорост и не взаимодействащи помежду си), независимо от формата или плътността на разпределение, неизбежно ще колапсира до стационарна черна дупка.

Това е решение, метриката на Шварцшилд, е първото пълно и нетривиално решение на ОТО.

Източник: Dwight Vincent of U. Winnipeg, via http://ion.uwinnipeg.ca/~vincent/4500.6-001/Cosmology/Black_Holes.htm.

Сега да преминем към същината на въпроса: Какво можем да кажем за горещата, гъста ранна Вселена, където цялата материя и енергия, сега разпростряна на 92 милиарда светлинни години в пространството, се е съдържала в обем, а не по-голям от размера на нашата собствена Слънчева система.

Графика: Ethan Siegel, превод Наука ОFFNews

Но ние трябва да имаме предвид, че подобно на пространство-времето на Минковски, решението на Шварцшилд е статично, т.е. то не променя метричното пространство с течение на времето. Но има и много други решения - пространството на де Ситер (вж "Хуан Малдасена: Илюзията гравитация"), метриката на Фридман-Робъртсън-Уокър, описващи пространство-времето, които разширяват или свиват.

Източник: Richard Powell, via http://www.atlasoftheuniverse.com/redshift.html.

Ако в началото материята и енергията, които се съдържат във Вселената в ранните етапи на Големия взрив и Вселената не се разширяваше, а бе статична, а също нямаше частици с ненулева скорост и частиците не се сблъскваха една с друга - цялата тази енергия би образувала Шварцшилдова черна дупка много бързо, почти мигновено.

Но в Общата теория на относителността има още една важна уловка: освен, че присъствието на материя и енергия определя кривината на пространство, всичко, което е в това пространство, определя развитието на пространство-времето!

Източник: NASA, retrieved from Pearson Education / Addison Wesley.

Най-забележителното нещо, което знаем е, че от момента на Големия взрив в нашата Вселена има само три възможни сценария, в зависимост от количеството присъстваща в нея материя и енергия и началната скорост на разширение:

  • Скоростта на разширяване би могла да е недостатъчно голяма за количеството налична материя и енергия. Това означава, че Вселената щеше да се разширява за сравнително кратък период от време, щеше да достигне максимален размер, а след това да започне да се свива. Би било погрешно да се каже, че тя ще се свие в черна дупка (въпреки че е изкушаващо да си го помислим), защото самото пространство ще колапсира заедно с материята и енергията и ще създаде сингулярност, наречена Големият колапс (Big Crunch).
  • От друга страна, скоростта на разширяване може да бъде твърде голяма за присъстващото във Вселената количество материя и енергия. В този случай цялата материя и енергия ще се разпръснат със скорост твърде висока, за да не може гравитацията да събере всички компоненти на Вселената, и в по-голямата част от моделите на Вселената се разширява прекалено бързо, за да се формират галактики, планети, звезди и дори атоми и ядра. Такава една вселена, ще бъде празно и самотно място.
  • А има и зона на Златовласки или случаят, когато Вселената просто се намира на границата между реколапсироването (какво би се случило, ако имаше дори един излишен протон) и разширяването в нищото (ако имаше един протон по-малко) и вместо това, тя асимптотично се приближава до състоянието, в което скоростта на разширяване пада до нула, но никога не се обръща обратно в свиване.


Оказва се, че ние живеем почти в зоната на Златовласки, но с добавката на малко количество тъмна енергия, която леко увеличава скоростта на разширяване, а това означава, че в крайна сметка цялата материя, гравитационно несвързана помежду си, ще се разлети на всички страни и ще изчезне в бездната на дълбокия космос.

Графика: Андре Линде, превод Наука ОFFNews

Изненадващо тук е колко фина настройка е нужна, за да се случи така, че скоростта на разширяване на Вселената и плътността на материята и енергията да съвпадат толкова добре, че нито да колапсираме веднага обратно, нито да се разширим така, че да не могат да се формират дори основните градивни частици на материята. Вероятността на това е едно към 1024, което е нещо като вземем две човешки същества, да преброим броя на електроните в тях, и да установим, че те са равни с точност до един електрон.

Източник: David P. Bennett of Notre Dame, via http://bustard.phys.nd.edu/.

Всъщност, ако се върнем във времето назад, когато Вселената е била само на една наносекунда (от Големия взрив), ние бихме могли да определим количествено колко фино са настроени плътността и скоростта на разширяване, точно колкото е необходимо да бъдат.

Според мен това е доста невероятна история!

И все пак, именно така може да се опише Вселената, която имаме, която не е колапсирала веднага и която не се е разширила прекалено бързо, за да не се образуват сложни структури, а вместо това е довела до цялото това чудесно разнообразие на ядрени, атомни, молекулни, клетъчни, геоложки , планетарни, звездни, галактични и клъстерни явления, които имаме днес. Ние имаме достатъчно късмет, че съществуваме, за да научим всичко, което знаем и да бъдем въвлечени в процеса на по-нататъшното познание - в науката.

Източник: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team.

Страница на статията : 0102

Препоръчани материали
begetron2
Рейтинг : 1071
01.07 2016 в 00:40 3
+ 5
- 1
С изложеното до тук се стига до отговора, че цялата Вселена се е превърнала в единна черна дупка, която се взривява и започва нов етап на нейното развитие. След като колапса на звездите води до унищожение на атома и превръщането на звездното вещество в неутронни звезди, може да предположим една логична хипотеза, че в неутроните е скрита тайната за свиването и взривяването на Вселената. По точно в структурата на неутроните и антинеутроните, която определя какво да се роди след Големият взрив, Вселена или Антивселена, като в нея се съдържа и отговора, защо се взривява колапсиралата Вселена. В съвременните ускорители на елементарни частици трябва да се заложат експерименти за разкриване на структурата на нуклоните и антинуклоните, а не търсене на тъмна материя, кварки, Х-бозони, които раждат масата на всички частици, многобройни видове на струнни теории и др. подобни.
begetron2
Рейтинг : 1071
01.07 2016 в 00:37 2
+ 5
- 1
Продължение 1. Процесът на образуване на черните дупки преминава през много фази и една от тези фази са неутронните звезди с по-голяма маса от Слънцето. При тези звезди е започнало смачкването на атома като електроните се съединяват с протоните и се превръщат в неутрони като звездата е съставена само от неутрони. Неутронните звезди са с огромна плътност, но още не се е превърнала в черни дупки, защото все още имат електромагнитно излъчване от диапазона на радиовълните, което е довело до откриването им. Те също поглъщат вещество и идва момент, при който силата на гравитацията не позволява никакво излъчване, а само поглъщане на материя и се превръща в черна дупка. Това е момента, при който звездата постига радиуса на Шварцшвилд и не позволява никакво излъчване, а само поглъща вещество като процеса продължава чрез сливането докато се стигне до единна черна дупка на Вселената и нов Голям взрив.
begetron2
Рейтинг : 1071
01.07 2016 в 00:31 1
+ 6
- 2
Физиците са си препълнили главите с математически уравнения и противоречиви налудничави физични теории и са забравили да мислят с логика на думите. Съдя за това по заглавието на статията Защо Вселената не се е превърнала в черна дупка. Така зададен въпросът не съдържа истината, защото противоречи на теорията за Големия взрив. Големият взрив е следствие от единната черна дупка на нашата Вселена събрала след предишното разширяване цялото си вещество на едно място и се е взривила. Сега е в период на разширяване, но процесът на свиване вече се подготвя от умиращите звезди превръщайки се в черни дупки с много голяма плътност и маса. С огромна сила на гравитацията поглъщат заобикалящото ги звездно вещество, увеличавайки постоянно силата си на привличане. Астрофизиците са разкрили такива процеси, при които две черни дупки с огромна маса се сливат. Открили са също че в центъра на галактиките има огромни черни дупки, които поглъщат заобикалящите ги звезди.
 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.