Fraser “Frågar en rymdmästare” Dr. Paul Matt Sutter - varför kallar vi Big Bang en singularitet, när vi också kallar svarthål singulariteter?
Universum är fyllt med tillfälligheter. Eller formen på Pac Man Nebula eller Wizard Nebula. Eller som handlingen om Force Awakens och alla andra Star Wars-filmer, är slumpen överallt.
Men här är en ganska konstig slump, och det har att göra med universumets natur. Följ med mig här.
Låt oss överväga svarta hål, ett ämne som vi har behandlat många gånger på den här kanalen. Om du har sett tillräckligt med våra videor, vet du att ett svart hål är ett område i rymden där materie och energi har mossats så tätt att gravitationsutrymningshastigheten överskrider ljusets hastighet.
Vi vet inte hur stora svarta hål är, men det är möjligt att de har krossats ned i en oändligt tät region, känd som en singularitet.
Singularitet, singularitet ... var har vi hört det ordet tidigare? Förutom Ray Kurzweil och hans besättning av tekniska singularitarians.
Det ordet kommer upp när vi diskuterar bildandet av universum; Big Bang. I början, för 13,8 miljarder år sedan, krossades allt i hela universumet till en region med oändlig täthet. Och sedan, på en bråkdel av en sekund, expanderade allt utåt.
Astronomer kallar denna region med oändlig täthet Big Bang-singulariteten.
Detta kan inte bara vara en slump, eller hur? Det är samma ord. Det är samma ord!
Var Big Bang singularitet bara en riktigt stor svart hål singularitet? Ett svart hål med all universans massa inne i det?
Jag ska erkänna, den här frågan är lite bortom min lönegrad. För att förklara vetenskapen fullt ut trodde jag att jag skulle ta med mig en ringsignal. Dr. Paul Matt Sutter är en astrofysiker vid Ohio State University och astronomiska observatoriet i Trieste.
Paul är specialiserad på kosmiska tomrum, han vet också gott om både Big Bang och svarta hål. Jag har nått Paul på uppsättningen av hans Ask a Spaceman-podcast och kastat denna zinger rakt mot honom.
Hej Paul, vad är skillnaden mellan singulariteten som bildade Big Bang och en svart hål singularitet?
1. Började hela universum från ett riktigt massivt svart hål?
Paul: Tack, Fraser. Så när vi tittar på singulariteter är det viktigt att komma ihåg vad en singularitet är. En singularitet är en plats med oändlig täthet, och det är inte riktigt en sak. Det betyder bara att matematiken som vi använder för att beskriva saken har gått sönder. Som om vi får oändlighet i våra svar när vi försöker beräkna vad som händer. I den mån vi vet händer den här typen av saker, dessa fördelningar i matematiken på två platser. Den ena är i mitten av ett svart hål, där saker är komprimerade så mycket att vi inte kan följa matematiken längre, och den andra tiden är i det mycket tidiga universum, när hela universum krossas ner till en så liten volym vid så höga tätheter att vi inte kan följa matematiken längre. Så det är det enda de har gemensamt - att det finns en singularitet, vilket betyder att vi inte kan göra matematiken längre.
Paul: Och även om de är samma, så är de väldigt, väldigt annorlunda. En svart hål singularitet är en punkt i rymden - som du lever i universum och du kan peka - det finns en singularitet som precis där borta, eller där eller där borta. Det är ett stycke av universum som är inbäddat i det större universum, medan Big Bang-singulariteten är hela universum. Det är en annorlunda sak där hela universumet kompakteras med så otroligt höga tätheter att vår matematik inte kan hålla reda på det längre.
2. Varför kollapsade inte det tidiga universumet bara tillbaka i ett svart hål?
Paul: Åh, det är en mycket bra fråga, Fraser. Du funderar på dessa otroligt höga tätheter i det tidiga universum, och det är naturligt att undra varför det inte bara uppförde sig som ett svart hål uppför sig och kraschar ner till en oändligt tät punkt - varför till och med bry sig om att expandera? Och det är viktigt att komma ihåg hur olika svarta hål är från det tidiga universum. I båda fallen använder vi generell relativitet - det är gravitationslagarna - de reglerar lagarna i dessa system. Men vi använder samma uppsättning ekvationer i olika scenarier. Vi använder dem för att beskriva olika saker. Ett svart hål är en speciell lösning på Einsteins ekvationer om generell relativitet, och den lösningen kommer från att ställa frågan "Om jag tar ett gäng saker där och kompakterar det till otroligt hög täthet, vad händer?" Svaret är att du får en singularitet omgiven av en händelsehorisont. Det är en speciell uppsättning lösningar på matematiken i det scenariot.
Paul: Men i det tidiga universum har vi en annan lösning - vi har en annan sak som händer. Det är ett annat universum. Svarthålslösningen är statisk - den är fixad, den är oförändrad med tiden. Det är ett antagande i matematiken. Men i det tidiga universum förändras saker. Det är en annan uppsättning frågor vi försöker besvara när vi tillämpar allmän relativitet på det tidiga universum är "Om jag fyller hela universumet jämnt med en hel massa saker, vad gör hela universumet?" Det är en annan fråga än frågan vi ställer om svarta hål, och så får vi ett annat svar. Så även om vi har den otroligt höga tätheten, den matematiska lösningen som beskriver det, eftersom vi beskriver universumets tidsutveckling, får vi andra svar än vi får för svarta hålbitarna. Och när det gäller det tidiga universum - när du fyller det jämnt med ett gäng saker och frågar vad pokker som händer med universumet, finns det bara två svar. Antingen får grejerna i universum saker att kollapsa och sammandras, eller så får grejerna i universum att universum expanderar. Och det beror på vad universum är tillverkat av, och det visar sig, tillräckligt, att universum är gjord av den typ av saker som får det att expandera. Det är den tidsutvecklingskomponenten som är viktig - som anger skillnaden mellan vad som händer i det tidiga universum och vad som händer i ett svart hål.
3. Kan svarta hål ha bildats i det tidiga universum eftersom det har så höga tätheter?
Paul: Åh ja, väldigt smart, Fraser. Jag ser vart du ska med det. Med otroligt hög täthet undrar du kanske att en liten bit av universumet klämde fast och gjorde ett svart hål. Kanske under de tidiga mikrosekunderna. Och varför kunde inte det svarta hålet utvidgas för att konsumera resten av universum? Och nyckeln här handlar inte om densitet, det handlar om skillnader i densitet. Det som skiljer ett svart hål från mig är att det är väldigt tätare än mig, eller åtminstone hoppas jag det. Det är vad som gör det till ett svart hål. Det är mycket tätare än omgivningen. Men för att få det svarta hålet att bilda, var du tvungen att ha lite extra saker som i en ficka, som ett extra gasmoln eller en stjärna, lite högre densitet än normalt. Då kan tyngdkraften fungera och börja dra in fler saker, och mer grejer, och mer, bygga och bygga tills du får den gravitationella kollaps som leder till ett svart hål.
Paul: Men i det tidiga universum var allt enhetligt. Det fanns inga skillnader i tyngdkraften. Ja, det var otroligt hög täthet, men om du kunde transporteras tillbaka dit och faktiskt överleva, skulle du inte känna någon tyngdkraft någonstans eftersom varje riktning är samma densitet. Du är omgiven av samma mängd saker i alla riktningar - det finns ingen allvar. Allt avbryter varandra. Så det finns ingen möjlighet för ett svart hål att bildas eftersom någon plats i universum är inte tätare än någon annan, så all tyngdkraft avbryter och du får ingenting. Inget svart hål - de kommer inte till scenen förrän mycket, mycket senare i universums utveckling, och vid den tiden är universum så stort, svarta hål kan inte påverka den totala utvecklingen.
4. Just nu expanderar universumet - kommer det en dag att kollapsa?
Paul: Ja, många astrofysiker och kosmologer oroar sig för detta decennier sedan - vi trodde att ja, kanske universum expanderar nu, men kanske finns det lite för mycket grejer i det - kanske den expansionen kommer att sakta ner, stoppa och sedan omvänd, och sedan skulle vi hamna i detta enorma stora crunch-scenario, motsatsen till Big Bang.
Paul: Men det visar sig, mörk energi är här, och mörk energi gör att universumets expansion accelererar, så att universum inte bara blir större och större varje dag, det blir snabbare och snabbare varje dag. Och det, ja, den suger.
Det låter ganska öppet och stängt, men det finns mer till den här resan. Om du tog massan och energin i hela universum och förvandlade det till ett svart hål, skulle det ha nästan samma densitet som universum självt, och en händelseshorisont större än det observerbara universum.
Så betyder det att vi faktiskt bor i ett svart hål? Kan vi se skillnaden?
Podcast (ljud): Ladda ner (Längd: 5:13 - 4.8 MB)
Prenumerera: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): Ladda ner (Längd: 5:35 - 66.3MB)
Prenumerera: Apple Podcasts | Android | RSS
