Wenn Sie sich das Universum als die gesamte Palette von Materie und Energie vorstellen, die wir kennen, und die frühen Stadien hatten, dass alles in eine winzige Region des Raums komprimiert wurde, warum ist es dann nicht in ein schwarzes Loch zusammengebrochen? (Birmingham Bibliotheken)

Aus diesem Grund ist unser Universum nicht in ein Schwarzes Loch eingebrochen

Wenn beim Urknall alles heiß, dicht und sehr dicht beieinander war, was hat uns dann davon abgehalten, in eine Singularität zusammenzufallen?

Der Urknall ist eine der eingängigsten Ideen überhaupt. Wenn Sie darüber nachdenken, die gesamte Materie und Energie im Universum aufzunehmen und sie in einer winzigen Region des Weltraums zu beginnen, ist es dann nicht eher unwahrscheinlich, dass sie sich mit der exakten Geschwindigkeit ausdehnt, die erforderlich ist, um uns das Universum zu geben, das wir heute sehen? Wäre es nicht weitaus wahrscheinlicher, gravitativ einfach in den dichtesten Objekttyp zu kollabieren, den das Universum enthalten kann: ein Schwarzes Loch? Offensichtlich ist das nicht passiert. Aber zu verstehen, warum dies nicht geschehen ist, ist möglicherweise eine der tiefgreifendsten Fragen, die Sie stellen können, um das Universum, in dem wir leben, besser zu verstehen.

Das expandierende Universum voller Galaxien und der komplexen Struktur, die wir heute beobachten, entstand aus einem kleineren, heißeren, dichteren und gleichmäßigeren Zustand. Warum sich das Universum so weitete, anstatt in ein Schwarzes Loch zu fallen, bedarf einer Erklärung. (C. Faucher-Giguère, A. Lidz und L. Hernquist, Science 319, 5859 (47))

Wenn Sie von Anfang an wüssten, wie die Gesetze der Physik in unserem Universum überall und zu jeder Zeit waren, wäre dies immer noch nicht genug, um die Vorhersage zu treffen, dass das Universum, wie wir es sehen, existieren sollte. Denn während die Gesetze der Physik die Regeln dafür festlegen, wie sich ein System im Laufe der Zeit entwickelt, braucht es dennoch eine Reihe von Anfangsbedingungen, um anzufangen. Irgendwie hat die Art und Weise, wie sich das Gewebe des Universums in den frühesten Augenblicken ausdehnte, diese Tendenz der Materie und Energie, sich zu gravitieren und zusammenzubrechen, ausgeglichen. Um zu sehen, wie das alles funktioniert, kehren wir zur Geburtsstunde unserer erfolgreichsten Gravitationstheorie - der allgemeinen Relativitätstheorie - vor etwa 100 Jahren zurück.

Die Umlaufbahnen der Planeten und Kometen unterliegen neben anderen Himmelsobjekten den Gesetzen der universellen Gravitation. (Kay Gibson, Ball Aerospace & Technologies Corp)

Vor Einstein war das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation die anerkannte Theorie der Schwerkraft. Alle Gravitationsphänomene im Universum, von der Beschleunigung der Massen auf der Erde bis zu den Umlaufbahnen der Monde um die Planeten bis zu den Planeten selbst, die sich um die Sonne drehen, beschrieb seine Theorie alles. Objekte übten gleiche und entgegengesetzte Gravitationskräfte auf einander aus, sie beschleunigten umgekehrt proportional zu ihrer Masse, und die Kraft gehorchte einem umgekehrten Quadratgesetz. Zu der Zeit, als die 1900er Jahre herumliefen, war es unglaublich gut getestet worden, und es gab keine Ausnahmen. Nun, mit Tausenden und Abertausenden von Erfolgen gab es jedenfalls fast keine Ausnahmen.

Eine Herausforderung für die Newtonsche Theorie war die Idee von Einstein, die zuvor von Lorentz, Fitzgerald und anderen entwickelt wurde, dass sich schnell bewegende Objekte im Raum zusammenzuziehen und sich in der Zeit zu erweitern schienen. Raum und Zeit sahen plötzlich nicht mehr so ​​fest und absolut aus. (Curt Renshaw)

Aber für den Schlauen und diejenigen, die viel Liebe zum Detail gaben, gab es ein paar Probleme:

  1. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten, dh bei Geschwindigkeiten, die sich der Lichtgeschwindigkeit näherten, waren Newtons Vorstellungen von absolutem Raum und absoluter Zeit nicht mehr gültig. Radioaktive Partikel lebten länger, Entfernungen schrumpften und „Masse“ schien nicht die fundamentale Quelle der Gravitation zu sein: Diese Ehre schien in Energie zu fließen, deren Masse nur eine Form ist.
  2. In den stärksten Gravitationsfeldern weicht die Newtonsche Vorhersage für das Gravitationsverhalten von Objekten geringfügig, aber merklich von dem ab, was wir beobachten. Es ist so, als würde die Newtonsche Schwerkraft eine zusätzliche Anziehungskraft nicht berücksichtigen, wenn Sie sich einer sehr massiven Quelle nähern.

In der Folge gab es zwei Entwicklungen, die den Weg für eine neue Theorie ebneten, die Newtons brillante, aber jahrhundertealte Konzeption der Funktionsweise des Universums ablöste.

Im Newtonschen Bild der Schwerkraft sind Raum und Zeit absolute, feste Größen, während im Einsteinschen Bild die Raumzeit eine einzige, einheitliche Struktur ist, in der die drei Dimensionen des Raums und die eine Dimension der Zeit untrennbar miteinander verbunden sind. (NASA)

Die erste wichtige Entwicklung bestand darin, dass Raum und Zeit, die zuvor als ein separater dreidimensionaler Raum und eine lineare Zeitmenge behandelt wurden, in einem mathematischen Rahmen vereint wurden, der eine vierdimensionale „Raumzeit“ erzeugte. Dies wurde 1907 von Hermann Minkowski bewerkstelligt:

Die Ansichten von Raum und Zeit, die ich vor Ihnen aufstellen möchte, sind aus dem Boden der Experimentalphysik entsprungen, und darin liegt ihre Stärke. […] Von nun an ist der Raum für sich und die Zeit für sich dazu verdammt, in bloße Schatten zu verschwinden, und nur eine Art Vereinigung der beiden wird eine unabhängige Realität bewahren.

Dies funktionierte nur für den flachen, euklidischen Raum, aber die Idee war mathematisch unglaublich mächtig, da sie als unvermeidliche Konsequenz zu allen Gesetzen der speziellen Relativität führte. Als diese Idee der Raumzeit auf das Problem der Merkurbahn angewendet wurde, kam die Newtonsche Vorhersage unter diesem neuen Rahmen dem beobachteten Wert ein wenig näher, blieb aber immer noch hinter dem Wert zurück.

Eine Darstellung eines flachen, leeren Raums ohne Materie, Energie oder Krümmung jeglicher Art. (Amber Stuver aus ihrem Blog Living Ligo)

Aber die zweite Entwicklung kam von Einstein selbst, und es war die Idee, dass die Raumzeit überhaupt nicht flach war, sondern gekrümmt. Und genau das, was die Krümmung der Raumzeit bestimmte, war die Anwesenheit von Energie in all ihren Formen, einschließlich der Masse. Das 1915 veröffentlichte Einstein-Framework war unglaublich schwer zu berechnen, bot Wissenschaftlern jedoch überall das enorme Potenzial, physikalische Systeme mit einer neuen Genauigkeit und Präzision zu modellieren.

Minkowskis Raumzeit entsprach einem leeren Universum oder einem Universum ohne Energie oder Materie jeglicher Art.

Es wurden unzählige wissenschaftliche Tests zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie durchgeführt, die die Idee einigen der strengsten Einschränkungen unterworfen haben, die die Menschheit jemals erhalten hat. Einsteins erste Lösung war für die Schwachfeldgrenze um eine einzelne Masse wie die Sonne; Er hat diese Ergebnisse mit dramatischem Erfolg auf unser Sonnensystem übertragen. (LIGO wissenschaftliche Zusammenarbeit / T. Pyle / Caltech / MIT)

Einstein konnte eine Lösung finden, bei der Sie ein Universum mit einer einzelnen Punktmassenquelle und der Bedingung hatten, dass Sie sich außerhalb dieses Punktes befanden. Dies reduzierte sich auf die Newtonsche Vorhersage bei großen Entfernungen, ergab jedoch stärkere Ergebnisse bei näheren Entfernungen. Diese Ergebnisse stimmten nicht nur mit den Beobachtungen der Merkur-Umlaufbahn überein, die die Newtonsche Schwerkraft nicht vorhersagte, sondern es ergaben sich auch neue Vorhersagen über die Ablenkung des Sternenlichts, die während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar sein würden. Diese Vorhersagen wurden später während der Sonnenfinsternis von 1919 bestätigt.

Die Ergebnisse der Eddington-Expedition von 1919 zeigten schlüssig, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die Biegung des Sternenlichts um massive Objekte beschrieb, wodurch das Newtonsche Bild gestürzt wurde. (The Illustrated London News, 1919)

Aber es gab eine andere Lösung - eine überraschende und interessante -, die nur wenige Wochen nach der Veröffentlichung seiner allgemeinen Relativitätstheorie durch Einstein herauskam. Karl Schwarzschild hatte weitere Details ausgearbeitet, was mit einer Konfiguration mit einer einzelnen Punktmasse von beliebiger Größe passiert, und was er fand, war bemerkenswert:

  • Bei großen Entfernungen hielt Einsteins Lösung an und reduzierte sich auf Newtons Ergebnisse in der Fernfeldgrenze.
  • Ganz in der Nähe der Masse - in einer ganz bestimmten Entfernung (von R = 2M, in natürlichen Einheiten) - erreicht man einen Punkt, an dem nichts entkommen kann: einen Ereignishorizont.
  • Darüber hinaus kollabiert innerhalb dieses Ereignishorizonts alles, was unvermeidlich eintritt, zu einer zentralen Singularität, die als Folge von Einsteins Theorie unvermeidbar ist.
  • Und schließlich wird jede anfängliche Konfiguration von stationärem, drucklosem Staub (d. H. Materie mit einer Anfangsgeschwindigkeit von Null und ohne Wechselwirkung mit sich selbst), unabhängig von der Form oder der Dichteverteilung, unweigerlich zu einem stationären Schwarzen Loch zusammenbrechen.

Diese Lösung - die Schwarzschild-Metrik - war die erste vollständige, nicht triviale Lösung für die allgemeine Relativitätstheorie, die jemals entdeckt wurde.

Das hier gezeigte Flamm-Paraboloid repräsentiert die Raumzeitkrümmung außerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzschild-Schwarzen Lochs. Sobald Sie reingefallen sind, ist alles vorbei. Ihre beste Wette ist es, frei zu fallen, als wären Sie aus der Ruhe gefallen. Nur diese Flugbahn maximiert Ihre Überlebenszeit. (AllenMcC. Von Wikimedia Commons)

Was ist also mit dem heißen, dichten, frühen Universum, in dem die gesamte Materie und Energie, die gegenwärtig über einen Raum von 92 Milliarden Lichtjahren verstreut ist, in einem Raumvolumen enthalten ist, das nicht größer ist als unser eigenes Solar System?

Die Größe des Universums in Lichtjahren im Vergleich zu der Zeit, die seit dem Urknall vergangen ist. Dies wird auf einer logarithmischen Skala dargestellt, wobei einige wichtige Ereignisse der Übersichtlichkeit halber mit Anmerkungen versehen sind. (E. Siegel)

Das, was Sie sich überlegen müssen, ist, dass Schwarzschilds Lösung, ähnlich wie Minkowskis Raumzeit, statisch ist, was bedeutet, dass sich die Metrik des Raums nicht mit fortschreitender Zeit entwickelt. Es gibt jedoch viele andere Lösungen - zum einen de Sitter-Raum und zum anderen die Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik -, die Raumzeiten beschreiben, die sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen.

Wenn wir mit der Materie und Energie begonnen hätten, die unser Universum in den frühen Stadien des Urknalls hatte, und kein schnell expandierendes Universum, sondern ein statisches Universum, und eines, in dem keines der Teilchen Druck oder Druck hatte Bei einer Geschwindigkeit ungleich Null hätte die gesamte Energie in extrem kurzer Zeit ein Schwarzschild-Schwarzes Loch gebildet: praktisch augenblicklich. Aber die allgemeine Relativitätstheorie hat eine weitere wichtige Einschränkung: Nicht nur die Gegenwart von Materie und Energie bestimmen die Krümmung Ihrer Raumzeit, sondern die Eigenschaften und die Entwicklung von allem in Ihrem Raum bestimmen die Entwicklung dieser Raumzeit selbst!

Eine grafische Darstellung der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) in Abhängigkeit von der Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das in der Vergangenheit schneller expandierte, sich aber heute noch ausdehnt. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die tausende Male weiter reicht. Die verschiedenen Kurven stellen Universen dar, die aus verschiedenen Bestandteilen bestehen. (Ned Wright, basierend auf den neuesten Daten von Betoule et al. (2014))

Das Bemerkenswerteste daran ist, dass wir seit dem Urknall wissen, dass unser Universum nur drei Möglichkeiten zu haben scheint, abhängig von der Materie und Energie in ihm und der anfänglichen Expansionsrate:

  • Die Expansionsrate könnte für die Menge an Materie und Energie nicht ausreichend groß gewesen sein, was bedeutet, dass sich das Universum für eine (wahrscheinlich kurze) Zeit ausgedehnt hätte, eine maximale Größe erreicht hätte und dann wieder zusammengebrochen wäre. Es ist falsch zu sagen, dass es in ein Schwarzes Loch kollabieren würde (obwohl dies ein verlockender Gedanke ist), weil der Raum selbst zusammen mit der gesamten Materie und Energie kollabieren würde, was zu einer als Big Crunch bekannten Singularität führen würde.
  • Andererseits könnte die Expansionsrate für die darin vorhandene Menge an Materie und Energie zu groß gewesen sein. In diesem Fall würden Materie und Energie mit einer Geschwindigkeit auseinander getrieben, die zu schnell ist, als dass die Gravitation alle Komponenten des Universums wieder zusammenbringen könnte. Bei den meisten Modellen würde sich das Universum zu schnell ausdehnen, um jemals Galaxien oder Planeten zu bilden. Sterne oder auch Atome oder Atomkerne! Ein Universum, in dem die Expansionsrate für die darin enthaltene Menge an Materie und Energie zu groß war, wäre in der Tat ein trostloser, leerer Ort.
  • Schließlich gibt es den Fall der „Goldlöckchen“ oder den Fall, in dem das Universum genau auf dem richtigen Weg ist zwischen dem Zusammenbruch (was es tun würde, wenn es nur ein weiteres Proton hätte) und der Ausdehnung in Vergessenheit (was es tun würde, wenn es ein Proton weniger hätte) ), und stattdessen nur asymptomatisch zu einem Zustand, in dem die Expansionsrate auf Null fällt, sich aber nie ganz umdreht, um wieder zusammenzubrechen.

Wie sich herausstellt, leben wir fast im Fall von Goldlöckchen, wobei nur ein kleines bisschen dunkle Energie in die Mischung geworfen wird, wodurch die Expansionsrate nur geringfügig größer wird und das bedeutet, dass all die Materie, die nicht durch die Schwerkraft miteinander verbunden ist, letztendlich bereits zusammenwächst auseinander in den Abgrund des Weltraums getrieben werden.

Die erwarteten Schicksale des Universums (die drei oberen Abbildungen) entsprechen alle einem Universum, in dem Materie und Energie gegen die anfängliche Expansionsrate kämpfen. In unserem beobachteten Universum wird eine kosmische Beschleunigung durch irgendeine Art von dunkler Energie verursacht, die bisher unerklärt ist. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Bemerkenswert ist, dass die erforderliche Feinabstimmung vorgenommen werden musste, damit die Expansionsrate und die Materie- und Energiedichte des Universums so gut übereinstimmten, dass wir entweder nicht sofort wieder zusammenbrachen oder nicht einmal die Grundbausteine ​​von bildeten Materie ist so etwas wie ein Teil in 10²⁴, was so aussieht, als würde man zwei Menschen nehmen, die Anzahl der Elektronen in ihnen zählen und feststellen, dass sie mit einem Elektron identisch sind. Wenn wir zu einer Zeit zurückkehren würden, in der das Universum nur eine Nanosekunde alt war (seit dem Urknall), könnten wir quantifizieren, wie genau die Dichte und die Expansionsrate abgestimmt sein mussten.

Wenn das Universum nur eine etwas höhere Dichte hätte (rot), wäre es bereits wieder zusammengebrochen; Wenn es nur eine etwas geringere Dichte hätte, hätte es sich viel schneller ausgedehnt und wäre viel größer geworden. (Ned Wrights Kosmologie-Tutorial)

Das Niveau, auf dem sich die Expansionsrate und die Gesamtenergiedichte ausgleichen müssen, ist wahnsinnig genau; Eine winzige Veränderung damals hätte zu einem Universum geführt, das sich grundlegend von dem unterscheidet, das wir gegenwärtig beobachten. Und doch beschreibt diese fein abgestimmte Situation sehr genau das Universum, das wir haben, das nicht sofort zusammenbrach und das sich nicht zu schnell ausdehnte, um komplexe Strukturen zu bilden. Stattdessen entstand die wundersame Vielfalt der heutigen Phänomene von Kern-, Atom-, Molekular-, Zell-, Geologie-, Planeten-, Stern-, Galaktik- und Cluster-Phänomenen. Wir haben das Glück, im Moment da zu sein, alles darüber gelernt zu haben und uns auf das Unternehmen einzulassen, noch mehr zu lernen: den Prozess der Wissenschaft. Das Universum ist nicht in ein Schwarzes Loch eingebrochen, weil die Bedingungen, unter denen es geboren wurde, bemerkenswert ausgeglichen waren, und das ist vielleicht die bemerkenswerteste Tatsache von allen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.