WAR DER URKNALL NUR EIN SCHWARZES LOCH?

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Fraser "fragt einen Raumfahrer" Dr. Paul Matt Sutter - warum nennen wir den Urknall eine Singularität, wenn wir auch Singularitäten der Schwarzen Löcher nennen?

Das Universum ist voller Zufälle. Oder die Form des Pac Man Nebula oder des Wizard Nebula. Oder wie in der Handlung von Force Awakens und jedem anderen Star Wars-Film gibt es überall Zufälle.

Aber hier ist ein ziemlich seltsamer Zufall, der mit der Natur des Universums selbst zu tun hat. Folgen Sie mir hier.

Betrachten wir Schwarze Löcher, ein Thema, das wir in diesem Kanal schon oft behandelt haben. Wenn Sie genug von unseren Videos gesehen haben, wissen Sie, dass ein Schwarzes Loch eine Region des Weltraums ist, in der Materie und Energie so dicht zerdrückt wurden, dass die Gravitations-Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet.

Wir wissen nicht, wie groß schwarze Löcher sind, aber es ist möglich, dass sie in eine unendlich dichte Region zerquetscht werden, die als Singularität bekannt ist.

Singularität, Singularität ... wo haben wir dieses Wort schon einmal gehört? Abgesehen von Ray Kurzweil und seiner Crew von technologischen Singularitariern.

Dieses Wort kommt auf, wenn wir über die Bildung des Universums sprechen; der Urknall. Zu Beginn, vor 13,8 Milliarden Jahren, wurde alles im gesamten Universum in eine Region unendlicher Dichte zerquetscht. Und dann, in Sekundenbruchteilen, dehnte sich alles nach außen aus.

Astronomen nennen diese Region unendlicher Dichte die Urknall-Singularität.

Das kann doch kein Zufall sein, oder? Es ist das gleiche Wort. Es ist das gleiche Wort!

War die Urknall-Singularität nur eine wirklich große Singularität des Schwarzen Lochs? Ein schwarzes Loch mit der ganzen Masse des Universums?

Ich gebe zu, diese Frage geht etwas über meine Gehaltsstufe hinaus. Um die Wissenschaft vollständig zu erklären, dachte ich, ich würde einen Wecker mitbringen. Dr. Paul Matt Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und dem Astronomical Observatory in Triest.

Paul ist auf kosmische Hohlräume spezialisiert und weiß viel über den Urknall und die Schwarzen Löcher. Ich habe Paul am Set seines Ask a Spaceman-Podcasts erreicht und diesen Zinger direkt auf ihn geworfen.

Hey Paul, was ist der Unterschied zwischen der Singularität, die den Urknall gebildet hat, und einer Singularität des Schwarzen Lochs?

1. Hat das ganze Universum von einem wirklich massiven Schwarzen Loch angefangen?
Paul: Danke, Fraser. Wenn wir uns also Singularitäten ansehen, ist es wichtig zu bedenken, was eine Singularität ist. Eine Singularität ist ein Ort unendlicher Dichte, und das ist nicht wirklich eine Sache. Es bedeutet nur, dass die Mathematik, mit der wir die Sache beschreiben, zusammengebrochen ist. Als würden wir unendlich viele Antworten erhalten, wenn wir versuchen zu berechnen, was los ist. Soweit wir wissen, passieren solche Dinge, diese Zusammenbrüche in der Mathematik, an zwei Orten. Eine befindet sich in der Mitte eines Schwarzen Lochs, wo das Material so stark komprimiert ist, dass wir der Mathematik nicht mehr folgen können, und die andere Zeit befindet sich im sehr frühen Universum, wenn das gesamte Universum auf ein so kleines Volumen zerkleinert wird bei so hohen Dichten, dass wir der Mathematik nicht mehr folgen können. Das ist das einzige, was sie gemeinsam haben - dass es eine Singularität gibt, was bedeutet, dass wir nicht mehr rechnen können.

Paul: Und obwohl sie gleich sind, sind sie sehr, sehr unterschiedlich. Eine Singularität des Schwarzen Lochs ist ein Punkt in der Raumzeit - so wie Sie im Universum leben und Sie können zeigen - es gibt eine Singularität wie genau dort oder dort oder dort. Es ist ein Stück des Universums, das in das größere Universum eingebettet ist, während die Urknall-Singularität das gesamte Universum ist. Es ist eine andere Sache, bei der das gesamte Universum mit so unglaublich hohen Dichten komprimiert wird, dass unsere Mathematik es nicht mehr verfolgen kann.

2. Warum ist das frühe Universum nicht einfach in ein Schwarzes Loch zurückgefallen?
Paul: Oh, das ist eine sehr gute Frage, Fraser. Sie denken über diese unglaublich hohen Dichten im frühen Universum nach und es ist natürlich zu fragen, warum es sich nicht nur so verhält, wie sich ein Schwarzes Loch verhält und zu einem unendlich dichten Punkt zusammenbricht - warum sich überhaupt die Mühe machen, sich auszudehnen? Und es ist wichtig, sich hier daran zu erinnern, wie unterschiedlich die Schwarzen Löcher vom frühen Universum sind. In beiden Fällen verwenden wir die allgemeine Relativitätstheorie - dies sind die Gesetze der Schwerkraft - sie regeln die Gesetze dieser Systeme. Wir verwenden jedoch in verschiedenen Szenarien denselben Satz von Gleichungen. Wir verwenden sie, um verschiedene Dinge zu beschreiben. Ein Schwarzes Loch ist eine besondere Lösung für Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Lösung ergibt sich aus der Frage: "Wenn ich dort ein paar Sachen nehme und sie auf unglaublich hohe Dichten komprimiere, was passiert dann?" Die Antwort ist, dass Sie eine Singularität erhalten, die von einem Ereignishorizont umgeben ist. Dies ist eine bestimmte Reihe von Lösungen für die Mathematik dieses Szenarios.

Paul: Aber im frühen Universum haben wir eine andere Lösung - wir haben etwas anderes vor. Es ist ein anderes Universum. Die Schwarzlochlösung ist statisch - sie ist fest und ändert sich nicht mit der Zeit. Das ist eine Annahme in der Mathematik. Aber im frühen Universum ändern sich die Dinge. Es ist eine andere Reihe von Fragen, die wir zu beantworten versuchen, wenn wir die allgemeine Relativitätstheorie auf das frühe Universum anwenden: "Wenn ich das gesamte Universum gleichmäßig mit einer ganzen Reihe von Dingen fülle, was macht das gesamte Universum?" Das ist eine andere Frage als die Frage, die wir zu Schwarzen Löchern stellen, und daher erhalten wir eine andere Antwort. Obwohl wir diese unglaublich hohe Dichte haben, die mathematische Lösung, die sie beschreibt, weil wir die zeitliche Entwicklung des Universums beschreiben, erhalten wir andere Antworten als für die Bits des Schwarzen Lochs. Und wenn es um das frühe Universum geht - wenn Sie es gleichmäßig mit ein paar Dingen füllen und fragen, was zum Teufel mit dem Universum passiert, gibt es nur zwei Antworten. Entweder bewirkt das Zeug im Universum, dass das Zeug zusammenbricht und sich zusammenzieht, oder das Zeug im Universum bewirkt, dass sich das Universum ausdehnt. Und es hängt davon ab, woraus das Universum besteht, und es stellt sich leicht genug heraus, dass das Universum aus solchen Dingen besteht, die es ausdehnen lassen. Es ist diese Zeitentwicklungskomponente, die hier wichtig ist - die den Unterschied zwischen dem, was im frühen Universum passiert, und dem, was in einem Schwarzen Loch passiert, festlegt.

3. Könnten sich im frühen Universum Schwarze Löcher gebildet haben, weil es so hohe Dichten hat?
Paul: Oh ja, sehr klug, Fraser. Ich sehe, wohin du damit gehst. Bei unglaublich hohen Dichten wundern Sie sich vielleicht, dass ein kleines Stück des Universums abgekniffen und ein Schwarzes Loch gemacht hat. Vielleicht in diesen frühen Mikrosekunden. Und warum hätte sich dieses Schwarze Loch nicht ausdehnen können, um den Rest des Universums zu verbrauchen? Und hier geht es nicht um Dichte, sondern um Dichteunterschiede. Was ein Schwarzes Loch von mir unterscheidet, ist, dass es viel dichter ist als ich, oder zumindest hoffe ich es. Das macht es zu einem schwarzen Loch. Es ist viel dichter als die Umgebung. Aber um dieses Schwarze Loch zu formen, musste man ein bisschen mehr Zeug wie in einer Tasche haben, wie eine zusätzliche Gaswolke oder einen Stern, ein bisschen höher als normal. Dann kann die Schwerkraft funktionieren und mehr Zeug und mehr Zeug und mehr hineinziehen, bis Sie den Gravitationskollaps erhalten, der zu einem Schwarzen Loch führt.

Paul: Aber im frühen Universum war alles einheitlich. Es gab keine Unterschiede in der Schwerkraft. Ja, es war eine unglaublich hohe Dichte, aber wenn Sie dorthin zurücktransportiert werden und tatsächlich überleben könnten, würden Sie nirgendwo eine Anziehungskraft spüren, da jede Richtung die gleiche Dichte hat. Sie sind in alle Richtungen von der gleichen Menge an Material umgeben - es gibt keine Schwerkraft. Alles hebt sich gegenseitig auf. Es gibt also keine Möglichkeit, dass sich ein Schwarzes Loch bildet, da ein Punkt im Universum nicht dichter ist als jeder andere, sodass die gesamte Schwerkraft aufgehoben wird und Sie nichts bekommen. Kein Schwarzes Loch - sie kommen erst viel später in der Entwicklung des Universums auf die Bühne, und zu diesem Zeitpunkt ist das Universum so groß, dass die Schwarzen Löcher die gesamte Entwicklung nicht beeinflussen können.

4. Im Moment expandiert das Universum - wird es eines Tages zusammenbrechen?

Paul: Ja, viele Astrophysiker und Kosmologen machen sich vor Jahrzehnten Sorgen darüber - wir dachten, ja, vielleicht expandiert das Universum jetzt, aber vielleicht ist ein bisschen zu viel Zeug drin - vielleicht verlangsamt sich diese Expansion, hört auf und dann umgekehrt, und dann würden wir in diesem massiven Big-Crunch-Szenario enden, dem Gegenteil des Urknalls.

Paul: Aber es stellt sich heraus, dass dunkle Energie hier ist und dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt. Das Universum wird also nicht nur von Tag zu Tag größer, sondern auch von Tag zu Tag schneller. Und das, na ja, das ist irgendwie scheiße.

Das klingt ziemlich offen und geschlossen, aber diese Reise bietet noch mehr. Wenn Sie die Masse und Energie des gesamten Universums in ein Schwarzes Loch verwandeln würden, hätte es fast genau die gleiche Dichte wie das Universum selbst und einen Ereignishorizont, der größer ist als das beobachtbare Universum.

Bedeutet das also, dass wir tatsächlich in einem Schwarzen Loch leben? Können wir den Unterschied erkennen?