Вселенная действительно одна большая черная дыра?

Ниже приводится выдержка из нашей новостной рассылки «Потерянные в пространстве времени». Каждый месяц мы передаем клавиатуру физику или математику, чтобы рассказать вам об увлекательных идеях из их угла вселенной. Ты можешь Зарегистрируйтесь на Lost in Space-Time здесьПолем

«Итак, вы написали книгу о черных дырах?»

Незнакомец делает глоток из своего коктейля. Мы на вечеринке, и меня познакомили с гостями. Я вежливо киваю, волнуя свою пинья Коладу.

«Тогда скажи мне, – продолжает незнакомец Действительно Правда, что вся вселенная – черная дыра? »

Я не удивлен. Это один из самых распространенных вопросов, которые мне задавали, когда я говорю людям, что я проводил годы, разговаривая с учеными и посещающие обсерватории, чтобы узнать, что мы в настоящее время знаем об этих космических бегемотах.

И неудивительно, что люди хотят знать. Регулярно появляются заголовки СМИ, которые предлагают мерцающие галактики, которые мы видим, когда мы заглядываем в космос, могут быть пойманы внутри Огновая черная дыраПолем Видео, обсуждающие такие идеи, получают миллионы просмотров на YouTube. И хотя это звучит как что -то из научно -фантастического романа, это не без заслуг. Научное исследование этой идеи восходит к 1972 году, когда физик Радж Кумар Патрия опубликовал письмо в журнале Nature называется «Вселенная как черная дыра». С тех пор ошеломляющее утверждение возвращается время от времени.

Итак, это правда?

Как сделать черную дыру

Проще говоря, черная дыра – это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может избежать ее.

Эти загадочные объекты были первоначально обнаружены с математикой астрономом Карлом Шварцшильдом во время Первой мировой войны. В то время как он мог слышать, как грохочут с битвами на французско-германском фронте, он исследовал, о чем предсказывают свежеими опубликованные уравнения общей рецидивов Альберта Эйнштейна Движение планет и структура звезд.

Schwarzschild нажимала на формулу, которая описывает, как пространство и время могут вести себя так, дико, не синхронизируя с нашим опытом мира, сдавая себя на себе и создавая тип неизбежной области, позже названной черной дырой.

Открытие Шварцшильда привело к глубокому пониманию того, как работают черные дыры. Возьмите заданный кусок массы, такой как человеческое тело, планета или звезда. Теперь выжмите его внутри тома, определенной формулой Шварцшильда, И вуаля! Сформировалась черная дыра.

Этот критический объем зависит от массы объекта. Для человеческого тела это смехотворно крошечное: сто раз меньше протона. Для Земли это размером с мяч для гольфа, в то время как для солнца он соответствует примерно размеру в центре Лос -Анджелеса (около 6 километров или чуть менее 4 миль, в поперечнике).

Как видите, создать черные дыры сложно. При нормальных обстоятельствах Материя просто не любит сжимать на такую чрезвычайно высокую плотность. Только самые катастрофические процессы во вселенной – например, когда очень массивные звезды взорвутся в сверхновой – могут заставить материю рухнуть на себя и сформировать черную дыру.

Но есть поворот в истории создания Черной дыры. В то время как те, которые созданы из взрывающихся звезд, связан с исключительно плотным веществом, их гораздо больше супермассивные кузеныкоторые находятся в центре большинства галактик, имеют довольно низкую плотность. Согласно формуле Шварцшильда, чем больше черной дыры, тем больше пустоты, в которой она содержит, и чем ниже ее средняя плотность (в довольно простом смысле ручной работы-в действительности плотность сложного пространственно-временного объекта, подобного черной дыре, не является простым для определения). Таким образом, самые большие черные отверстия имеют среднюю плотность меньше, чем у воздуха!

Так что же тогда о вселенной? Учитывая, что это в основном состоит из пустого пространства, может ли его чрезвычайно низкая плотность все еще соответствовать черной дыре?

Расположение вселенной

Благодаря формуле Шварцшильда астрономы оснащены инструментом, чтобы определить, является ли объект черной дырой: во -первых, измерьте его массу; Затем установите его объем. Если объект имеет массу, ограниченную в объеме меньше, чем определяется формулой Шварцшильда, то это должно быть черная дыра.

Итак, давайте применим этот рецепт на всю вселенную. Для этого нам нужно знать его массу и объем. Но так как мы не можем бродить по всей вселенной с помощью небесного правителя и измерить ее истинную ширину, невозможно узнать его общий размер. Все, что мы можем сделать, это наблюдать за светом и частицами, которые достигают нас от отдаленных границ пространства.

Самый древний свет, который мы можем видеть, исходит от Космический микроволновый фонПолем Он был создан всего через 380 000 лет после большого взрыва. С тех пор, как вселенная расширяется, точки, из которых был излучен этот свет, теперь лежат очень далеко от нас. Общее расстояние, которое свет мог пройти с тех пор, как Большой взрыв определяет наблюдаемая вселеннаякоторый имеет диаметр 93 миллиарда световых лет.

Благодаря кропотливым измерениям, проведенным в течение нескольких десятилетий, астрономы определили, сколько массы в этом томе: около 10⁵⁴ KG (это 1, за которым следует 54 нулей, у которого есть модное имя One Septendecillion).

Теперь давайте вычислим гипотетический размер черной дыры с массой одной сепендиатенциллионной килограммы. Подключите число к формуле Шварцшильда, пусть барабаны катятся, и несколько математических операций спустя мы столкнулись с поразительным ответом: такая черная дыра будет 300 миллиардов световых лет, примерно в три раза больше, чем наблюдаемая вселенная. Другими словами, просто посмотрев на размер и массу, содержащуюся в наблюдаемой вселенной, она соответствует счету черной дыры.

«Вау, – восклицает любознательный незнакомец на коктейльной вечеринке:« Значит, вселенная действительно черная дыра? »

«Не так быстро, кузнечик», – отвечаю я. Чтобы действительно добраться до дна этого вопроса, нам нужно поближе взглянуть на внутреннюю часть черной дыры.

В темноту

Черные дыры странные. Одним из их многочисленных странных аспектов является то, что из внешней части они, кажется, имеют фиксированный размер, но внутри они постоянно меняются. Согласно формуле Шварцшильда, пространство внутри них растягивается в одном направлении и одновременно скручивается вместе в двух других. (Если черная дыра вращается, ее внутренний мир все еще становится более странным, но это история для другой рассылки.)

Космологи называют этот тип структуры анизотропныйПолем Тропический означает «направление», iso означает «равный» и анонца означает отрицание. Анизотропная динамика внутри черной дыры означает, что из трех пространственных направлений одно будет расширяться, и два других сжимаются – например, резиновый лист, который будет вытягиваться в тонкую струну. Это искажение тесно связано с приливным растяжением всех волнистых веществ, которые Стивен Хокинг с его товарным языком лингвистического таланта называют спаггетификацией.

В отличие от случая с черными отверстиями, поскольку вселенная расширяется изотропически (То есть он расширяется одинаково во всех направлениях). Не похоже на то, как внутренняя часть черной дыры, не так ли?

Но это пока не исключает вселенной Черной дыры. Это потому, что черные дыры имеют две особенности с нашей вселенной, которые на поверхности кажутся знакомыми: горизонт события и сингулярность.

А событие горизонт это поверхность, с которой не может появиться свет. В случае с черной дырой она отмечает отрывок не возврата, от которого вещество никогда не может уйти после прохождения. В случае вселенной это возникает потому, что расширение пространства происходит настолько быстро, что предотвращает свет от очень отдаленных галактик, когда -либо достигая нас.

Этот космический горизонт события похож на внутреннюю версию горизонта события Черной дыры: последний мешает нам заглянуть в глубины пропасти черной дыры, тогда как первое не позволяет нам видеть наружу к самым дальним досям от пространства.

Эти перевернутые отношения также поддерживаются для зловещей сингулярности-обреченной точки, где плотность веществ и пространственно-временную кривизну становится бесконечно большей. Согласно формуле Шварцшильда, сингулярность – это будущий момент времени, когда любые несчастные астронавты, попадающие в черную дыру, должны встретиться после того, как они пройдут горизонт события. Точно так же наша космологическая модель также содержит сингулярность – но в прошлом. По мере того, как мы экстраполируем расширение вселенной назад, все точки в космосе становятся ближе и ближе, в то время как плотности становятся выше и выше. По мере роста плотности без связанных, загадочный начальный момент нашей модели Большого взрыва завершается особой. Таким образом, для черных дыр, математически сингулярность заключается в будущем, тогда как для нашей расширяющейся вселенной она лежит в прошлом. В обоих случаях особенности, которые возникают в наших моделях, сигнализируют о отсутствии понимания того, что происходит в этих необъяснимых плотных точках.

Добавление всего этого вместе – различия в расширении, горизонте и сингулярности событий – рисуют довольно убедительную картину, что наша вселенная нет Черная дыра. Это просто не похоже на один!

«Но держись, – говорит незнакомец, с запахом разочарования, – я думал, что мы только что рассчитали, что наша вселенная соответствует критериям черной дыры. Это не имеет смысла!»

«Ну, хотя расчет верен, – отвечаю я, – оказывается, что подобные математические отношения, как и Шварцшильд, также похоронены глубоко в нашей модели для расширяющейся вселенной. Она не уникальна для черных дыр».

Кто знает, какие странности случаются на самых больших космических масштабах, помимо тех, которые мы можем зонд с нашими телескопамиПолем Но, согласно нашим фундаментальным моделям расширяющихся вселенных и не заквашивающихся черных дыр, наша вселенная не несет признаков того, как находилась внутри черной дыры. Что мы должны сделать из этого? Лично я думаю, что это свидетельствует о универсальности гравитации, создавая такие удивительные структуры, как космическое время, хрустящие черные дыры и ускоряющаяся расширяющаяся вселенная одновременно.

Джонас Энандер – шведский научный писатель с доктором наук в области физики. Его недавно опубликованная книга Столков бесконечности: черные дыры и наше место на земле (Atlantic Books/The Experiment, 2025) исследует влияние черных дыр на вселенную, а также на человечество. Чтобы исследовать эти идеи, он Создал видео, которое рассказывает историю, используя картины с водным цветомПолем

Тайны вселенной: Чешир, Англия

Проведите выходные с некоторыми из самых ярких умов в науке, когда вы исследуете загадки вселенной в захватывающей программе, которая включает в себя экскурсию, чтобы увидеть культовый телескоп Ловелла.

Темы: