Space & Astronomy 4 юни 2025 г. · 0 коментара
Нашата вселена ли е в черна дупка? Кредит за изображение: CC BY-SA 2.5 Alain R
Ами ако Големият взрив не беше началото на всички неща, а отскок от колосален гравитационен срив?
Енрике Гактанага: Големият взрив често се описва като експлозивно раждане на Вселената – един единствен момент, когато пространството, времето и материята се появиха. Но какво ще стане, ако това изобщо не беше началото? Ами ако нашата вселена излезе от нещо друго – нещо по -познато и радикално едновременно?
В нов документ, публикуван във Physical Review D, моите колеги и аз предлагам поразителна алтернатива. Нашите изчисления предполагат, че Големият взрив не е бил началото на всичко, а по -скоро резултатът от гравитационна хрупка или срив, който образува много масивна черна дупка – последвана от отскок вътре в него.
Тази идея, която наричаме вселената на черната дупка, предлага коренно различен поглед върху космическия произход, но въпреки това е основана изцяло на известна физика и наблюдения.
Днешният стандартен космологичен модел, базиран на Големия взрив и космическата инфлация (идеята, че ранната вселена бързо се взриви в размер), беше забележително успешна в обяснението на структурата и еволюцията на Вселената. Но той идва на цена: оставя някои от най -основните въпроси без отговор.
От една страна, моделът на Големия взрив започва с сингулярност – точка на безкрайна плътност, където законите на физиката се разпадат. Това не е само технически проблем; Това е дълбок теоретичен проблем, който предполага, че изобщо не разбираме началото.
За да обяснят мащабната структура на Вселената, физиците въведоха кратка фаза на бързо разширяване в ранната вселена, наречена космическа инфлация, задвижвана от неизвестно поле със странни свойства. По -късно, за да обяснят ускоряващото се разширяване, наблюдавано днес, те добавиха още един „мистериозен“ компонент: тъмна енергия.
Накратко, стандартният модел на космологията работи добре – но само чрез въвеждане на нови съставки никога не сме наблюдавали директно. Междувременно най -основните въпроси остават отворени: откъде дойде всичко? Защо започна по този начин? И защо Вселената е толкова плоска, гладка и голяма?
Нов модел
Новият ни модел се справя с тези въпроси от различен ъгъл – като гледаме навътре вместо навън. Вместо да започнем с разширяваща се вселена и да се опитваме да проследим как е започнало, ние считаме какво се случва, когато прекалено гъста колекция от материя се срине под гравитацията.
Това е познат процес: звездите се сриват в черни дупки, които са сред най-добре разбраните обекти във физиката. Но това, което се случва в черна дупка, отвъд хоризонта на събитията, от който нищо не може да избяга, остава загадка.
През 1965 г. британският физик Роджър Пенроуз доказа, че при много общи условия гравитационният срив трябва да доведе до особеност. Този резултат, удължен от покойния британски физик Стивън Хокинг и други, подкрепя идеята, че особеностите – като тази в Големия взрив – са неизбежни.
Идеята помогна да спечели Пенроуз дял от Нобеловата награда за физика през 2020 г. и вдъхнови глобалния бестселър на Хокинг кратка история на времето: от големия взрив до черните дупки. Но има предупреждение. Тези „теореми на сингулярността“ разчитат на „класическа физика“, която описва обикновените макроскопични обекти. Ако включим ефектите на квантовата механика, която управлява мъничките микрокоси на атоми и частици, както трябва с изключителна плътност, историята може да се промени.
В новата си книга показваме, че гравитационният срив не трябва да завършва с особеност. Откриваме точно аналитично решение – математически резултат без приближения. Нашите математики показват, че когато подходим към потенциалната сингулярност, размерът на Вселената се променя като (хиперболична) функция на космическото време.
Това просто математическо решение описва как срутящ се облак от материя може да достигне състояние с висока плътност и след това да отскочи, като се възстанови навън в нова разширяваща се фаза.
Но как теоремите на Пенроуз забраняват подобни резултати? Всичко се свежда до правило, наречено принцип на квантово изключване, което гласи, че нито една идентични частици, известни като фермиони, не могат да заемат едно и също квантово състояние (като ъглов импулс или „въртене“).
И ние показваме, че това правило не позволява на частиците в срутителната материя да се притискат за неопределено време. В резултат на това сривът спира и се обръща. Отскокът е не само възможен – той е неизбежен при правилните условия.
Най -важното е, че този отскок се среща изцяло в рамките на общата относителност, която се прилага върху големи мащаби като звезди и галактики, съчетани с основните принципи на квантовата механика – не се изискват екзотични полета, допълнителни размери или спекулативна физика.
Това, което се появява от другата страна на отскачането, е вселената забележително като нашата собствена. Още по -изненадващо е, че отскокът естествено произвежда двете отделни фази на ускорена експанзия – инфлация и тъмна енергия – задвижвани не от хипотетични полета, а от физиката на самия отскок.
Тестими прогнози
Една от силните страни на този модел е, че той прави тестови прогнози. Той прогнозира малко, но ненулево количество положителна пространствена кривина – което означава, че Вселената не е точно равна, а леко извита, като повърхността на земята.
Това е просто реликва от първоначалната малка плътност, която предизвика срива. Ако бъдещите наблюдения, като продължаващата мисия на Евклид, потвърдят малка положителна кривина, би било силен намек, че нашата Вселена наистина се появи от такъв отскок. Той също така прави прогнози за скоростта на разширяване на настоящата вселена, нещо, което вече е проверено.
Този модел прави повече от отстраняване на технически проблеми със стандартната космология. Той също може да хвърли нова светлина върху други дълбоки мистерии в нашето разбиране за ранната вселена – като произхода на свръхмасивните черни дупки, природата на тъмната материя или йерархичната формация и еволюцията на галактиките.
Тези въпроси ще бъдат изследвани от бъдещи космически мисии като Arrakihs, които ще изучават дифузни характеристики като звездни ореоли (сферична структура на звезди и кълбовидни клъстери, заобикалящи галактики) и сателитни галактики (по -малки галактики, които орбитират по -големи), които са трудни за откриване с традиционните телескопи от Земята и ще помогнат да разберем тъмната материя и галактичната еволюция.
Тези явления могат да бъдат свързани и с реликва компактни обекти – като черни дупки – които се образуват по време на срутителната фаза и оцеляват от отскачането.
Вселената на Black Hole предлага и нова перспектива за нашето място в Космоса. В тази рамка цялата ни наблюдавана вселена се намира във вътрешността на черна дупка, образувана в някаква по -голяма „родителска“ вселена.
Ние не сме специални, не повече от Земята беше в геоцентричния мироглед, който поведе Галилео (астрономът, който предложи Земята да се върти около слънцето през 16 и 17 век), за да бъде поставен под домашен арест.
Не сме свидетели на раждането на всичко – от нищо, а по -скоро продължаването на космически цикъл – един, оформен от гравитацията, квантовата механика и дълбоките взаимовръзки между тях.
Енрике Гактанага, професор в Института по космология и гравитация (Университет в Портсмут), Университет в Портсмут
Тази статия е преиздадена от разговора под лиценз Creative Commons.
Прочетете оригиналната статия.
Източник: Разговорът | Коментари (0)