Защо Вселената не се е превърнала в черна дупка?

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.}

Още по темата

04/05/2016

Физика

Колко нива има Мултивселената?

30/04/2016

Космос

Тъмната енергия е константна в продължение на милиарди години

01/03/2016

Космос

Животът зависи от скоростта на разширяване на Вселената

29/02/2016

Земята

Земята забавя въртенето си, високосният ден е на път да изчезне