Fraser “spør en romslig” Dr. Paul Matt Sutter - hvorfor kaller vi Big Bang en enestående, når vi også kaller sorte hull singulariteter?
Universet er fylt med tilfeldigheter. Eller formen til Pac Man Nebula eller Wizard Nebula. Eller som plottet om Force Awakens og alle andre Star Wars-filmer, tilfeldighetene er overalt.
Men her er en ganske merkelig tilfeldighet, og det har med universets natur å gjøre. Følg med meg her.
La oss vurdere sorte hull, et tema vi har behandlet mange ganger på denne kanalen. Hvis du har sett nok av videoene våre, vet du at et svart hull er et område i rommet der materie og energi er blitt så mye tettet at tyngdeutslippshastigheten overstiger lysets hastighet.
Vi vet ikke hvor store sorte hull er, men det er mulig at de har blitt knust ned til en uendelig tett region, kjent som en singularitet.
Singularitet, singularitet ... hvor har vi hørt det ordet før? Bortsett fra Ray Kurzweil og hans mannskap av teknologiske singularitarians.
Det ordet kommer opp når vi diskuterer dannelsen av universet; det store smellet. Allerede i begynnelsen for 13,8 milliarder år siden ble alt i hele universet knust ned til et område med uendelig tetthet. Og så, på et brøkdel av et sekund, utvidet alt seg utover.
Astronomer kaller denne regionen med uendelig tetthet Big Bang-singulariteten.
Dette kan ikke bare være en tilfeldighet, ikke sant? Det er det samme ordet. Det er samme ord!
Var Big Bang-singulariteten bare en virkelig stor svart hull-singularitet? Et svart hull med all universets masse inni seg?
Jeg skal innrømme at dette spørsmålet er litt utenfor lønnen min. For å forklare vitenskapen fullt ut tenkte jeg at jeg ville ta med meg en ringetone. Dr. Paul Matt Sutter er en astrofysiker ved Ohio State University og det astronomiske observatoriet i Trieste.
Paul spesialiserer seg på kosmiske tomrom, han vet også mye om Big Bang og sorte hull. Jeg har nådd Paul på settet med Ask a Spaceman-podcasten, og kastet denne glideren rett mot ham.
Hei Paul, hva er forskjellen mellom singulariteten som dannet Big Bang og en svart hulls singularitet?
1. Startet hele universet fra et virkelig massivt svart hull?
Paul: Takk, Fraser. Så når vi ser på singulariteter, er det viktig å huske på hva en singularitet er. En singularitet er et sted med uendelig tetthet, og det er egentlig ikke noe. Det betyr bare at matematikken vi bruker for å beskrive tingen har gått sammen. Vi får uendelig mange av svarene våre når vi prøver å beregne hva som skjer. Så vidt vi vet, skjer denne typen ting, disse sammenbruddene i matematikken, to steder. Den ene er i midten av et svart hull, der ting blir komprimert så mye at vi ikke kan følge matematikken lenger, og den andre gangen er i det ganske tidlige universet, når hele universet knuses ned i et så lite volum ved så høye tettheter at vi ikke kan følge regnestykket lenger. Så det er det eneste de har felles - at det er en enkelhet, noe som betyr at vi ikke kan gjøre regnestykket lenger.
Paul: Og selv om de er de samme, er de veldig, veldig forskjellige. En svart hulls singularitet er et punkt i romtiden - som du bor i universet og du kan peke - det er en singularitet som rett der borte, eller der eller der borte. Det er et stykke av universet som er innebygd i det større universet, mens Big Bang-singulariteten er hele universet. Det er en annen ting der hele universet er komprimert med så utrolig høye tettheter at matematikken vår ikke kan holde rede på det mer.
2. Hvorfor falt ikke det tidlige universet bare tilbake i et svart hull?
Paul: Å, det er et veldig godt spørsmål, Fraser. Du tenker på disse utrolig høye tetthetene i det tidlige universet, og det er naturlig å lure på hvorfor det ikke bare oppførte seg som et svart hull oppfører seg og knasker ned til et uendelig tett punkt - hvorfor til og med bry å utvide? Og det er viktig å huske her hvor forskjellige sorte hull er fra det tidlige universet. I begge tilfeller bruker vi generell relativitet - dette er tyngdelovene - de styrer lovene i disse systemene. Men vi bruker det samme settet med ligninger i forskjellige scenarier. Vi bruker dem for å beskrive forskjellige ting. Et svart hull er en spesiell løsning på Einsteins ligninger av generell relativitet, og den løsningen kommer fra å stille spørsmålet "Hvis jeg tar en haug med ting der og kompakterer det til utrolig høye tettheter, hva skjer?" Svaret er at du får en singularitet omgitt av en hendelseshorisont. Det er ett bestemt sett med løsninger på matematikken i det scenariet.
Paul: Men i det tidlige universet har vi en annen løsning - vi har en annen ting som skjer. Det er et annet univers. Svarthullsløsningen er statisk - den er løst, den er uforanderlig med tiden. Det er en antagelse i matematikken. Men i det tidlige universet endrer ting seg. Det er et annet sett med spørsmål vi prøver å svare på når vi bruker generell relativitet på det tidlige universet, er "Hvis jeg fyller hele universet jevnt med en hel haug med ting, hva gjør da hele universet?" Det er et annet spørsmål enn spørsmålet vi stiller om sorte hull, og så får vi et annet svar. Så selv om vi har så utrolig høy tetthet, den matematiske løsningen som beskriver det, fordi vi beskriver universets tidsutvikling, får vi andre svar enn vi får for svarthullsbitene. Og når det gjelder det tidlige universet - når du fyller det jevnt med en haug med ting og spør hva pokker med universet, er det bare to svar. Enten får tingene i universet tingene til å kollapse og trekke seg sammen, eller tingene i universet får universet til å utvide seg. Og det kommer an på hva universet er laget av, og det viser seg, nok nok, at universet er laget av den typen ting som får det til å utvide seg. Det er den tidsutviklingskomponenten som er viktig - som skiller forskjellen mellom hva som skjer i det tidlige universet og det som skjer i et svart hull.
3. Kunne det ha dannet seg sorte hull i det tidlige universet fordi det har så høye tettheter?
Paul: Å ja, veldig flink, Fraser. Jeg ser hvor du skal med det. Med utrolig høye tettheter, lurer du på at kanskje et lite stykke av universet klemte seg og laget et svart hull. Kanskje i de tidlige mikrosekundene. Og hvorfor kunne ikke det sorte hullet utvides til å konsumere resten av universet? Og nøkkelen her handler ikke om tetthet, det handler om forskjeller i tetthet. Det som skiller et svart hull fra meg er at det er langt tettere enn meg, eller i det minste håper jeg det. Det er det som gjør det til et svart hull. Det er mye mer tett enn omgivelsene. Men for å få det sorte hullet til å forme seg, måtte du ha litt ekstra ting som i en lomme, som en ekstra gasssky eller en stjerne, litt høyere tetthet enn normalt. Da kan tyngdekraften fungere, og begynne å trekke inn flere ting, og flere ting, og mer, bygge og bygge til du får gravitasjonskollapsen som fører til et svart hull.
Paul: Men i det tidlige universet var alt ensartet. Det var ingen forskjeller i tyngdekraften. Ja, det var utrolig høy tetthet, men hvis du kunne fraktes tilbake dit og faktisk overleve, ville du ikke føle noe gravitasjonstrekk overalt fordi hver retning er den samme tettheten. Du er omgitt av samme mengde ting i alle retninger - det er ingen tyngdekraft. Det hele avbryter hverandre. Så det er ingen mulighet for at et svart hull dannes fordi en eneste plass i universet ikke er mer tett enn noen annen, så all tyngdekraft avbryter og du får ingenting. Ingen svart hull - de kommer ikke på scenen før mye, mye senere i universets evolusjon, og på det tidspunktet er universet så stort, de svarte hullene kan ikke påvirke den generelle utviklingen.
4. Akkurat nå utvides universet - vil det en dag kollapse?
Paul: Ja, mange astrofysikere og kosmologer bekymrer seg for dette for flere tiår siden - vi tenkte at ja, kanskje universet utvides nå, men kanskje er det litt for mye greier i det - kanskje den utvidelsen vil bremse opp, stoppe og så omvendt, og så vil vi havne i dette enorme store knasende scenariet, motsatt av Big Bang.
Paul: Men det viser seg, mørk energi er her, og mørk energi gjør at utvidelsen av universet akselererer, så ikke bare blir universet større og større for hver dag, det blir raskere og raskere hver eneste dag. Og det, vel, det suger.
Det høres ganske åpent og stengt ut, men det er mer med denne reisen. Hvis du tok massen og energien i hele universet og gjorde det til et svart hull, ville det ha nesten den samme tettheten som selve universet, og en hendelseshorisont større enn det observerbare universet.
Så betyr det at vi faktisk bor inne i et svart hull? Kunne vi fortelle forskjellen?
Podcast (lyd): Last ned (Varighet: 5:13 - 4.8 MB)
Abonner: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): Last ned (Varighet: 5:35 - 66.3MB)
Abonner: Apple Podcasts | Android | RSS
