Co kdyby velký třesk nebyl začátek? Nový výzkum naznačuje, že se to mohlo uskutečnit uvnitř černé díry
The Velký třesk je často popisován jako výbušné zrození vesmíru – jedinečný okamžik, kdy se prostor, čas a hmota vynořili. Ale co kdyby to vůbec nebyl začátek? Co když se náš vesmír objevil z něčeho jiného – něco známějšího a radikálnějšího současně?
V novém papíru, Publikováno ve fyzické recenzi dMoji kolegové a já navrhujeme výraznou alternativu. Naše výpočty naznačují, že velký třesk nebyl začátkem všeho, ale spíše výsledek gravitační krize nebo kolapsu, který vytvořil velmi masivní černá díra – Následuje uvnitř odrazu.
Tato myšlenka, kterou nazýváme vesmírem Black Hole, nabízí radikálně odlišný pohled na kosmický původ, přesto je zcela založen na známé fyzice a pozorování.
Dnešní Standardní kosmologický modelNa základě velkého třesku a kosmické inflace (myšlenka, že časný vesmír rychle vyhodil do vzduchu), byla pozoruhodně úspěšná při vysvětlování struktury a vývoje vesmíru. Ale přichází za cenu: zanechává některé z nejzákladnějších otázek nezodpovězených.
Pro jednoho, model Velkého třesku začíná singularitou – bodem nekonečné hustoty kde se porušují fyzikální zákony. Nejedná se pouze o technickou závadu; Je to hluboký teoretický problém, který naznačuje, že začátek vůbec nerozumíme.
Aby vysvětlili rozsáhlou strukturu vesmíru, zavedli fyzici krátkou fázi rychlé expanze do raného vesmíru volaného Kosmická inflacePoháněno neznámým polem s podivnými vlastnostmi. Později, aby vysvětlili dnes zrychlující expanzi pozorovanou, přidali další „záhadnou“ složku: Tmavá energie.
Související: 5 fascinujících faktů o velkém třesku, teorii, která definuje historii vesmíru
Stručně řečeno, standardní model kosmologie funguje dobře – ale pouze Zavedením nových ingrediencí Nikdy jsme přímo pozorovali. Mezitím zůstávají nejzákladnější otázky otevřené: odkud pochází všechno? Proč to začalo tímto způsobem? A proč je vesmír tak plochý, hladký a velký?
Nový model
Náš nový model se zabývá těmito otázkami z jiného úhlu – díváním se dovnitř namísto ven. Místo toho, abychom začínali rozšiřujícím se vesmírem a snažili se vysledovat, jak to začalo, zvažujeme, co se stane, když se příliš hustá sbírka hmoty zhroutí pod gravitace.
Jedná se o známý proces: hvězdy se zhroutily do černých děr, které patří mezi nejznámější předměty ve fyzice. Ale co se děje uvnitř černé díry, za horizontem, ze kterého nic nemůže uniknout, zůstává záhadou.
V roce 1965 britský fyzik Roger Penrose prokázal, že za velmi obecných podmínek, Gravitační kolaps musí vést k jedinečnosti. Tento výsledek Rozšířeno pozdním britským fyzikem Stephenem Hawkingem a dalšímiPodporuje myšlenku, že singularity – stejně jako ten ve Velkém třesku – jsou nevyhnutelné.
Tato myšlenka pomohla vyhrát Penrose podíl na roce 2020 Nobelova cena ve fyzice a inspirovaném globálním bestselleru Hawkinga Krátká historie času: Od velkého třesku po černé díry. Ale je tu námitka. Tyto „singularitní věty“ se spoléhají na „klasickou fyziku“, která popisuje běžné makroskopické objekty. Pokud zahrneme účinky kvantové mechaniky, které vládnou malými mikrokosmos atomů a částic, jak musíme při extrémní hustotě, může se příběh změnit.
V Náš nový papírUkazujeme, že gravitační kolaps nemusí končit jedinečností. Najdeme přesné analytické řešení – matematický výsledek bez aproximací. Naše matematika ukazuje, že jak se blížíme k potenciální singularitě, velikost vesmíru se mění jako (hyperbolická) funkce kosmického času.
Toto jednoduché matematické řešení popisuje, jak může kolaps cloud hmoty dosáhnout stavu s vysokou hustotou a poté se odrazit a odrazit se ven do nové rozšiřující se fáze.
Ale jak to, že Penroseovy věty zakazují takové výsledky? Je to všechno na pravidle zvaném princip kvantového vyloučenícož uvádí, že žádné dvě identické částice známé jako fermiony nemohou zaujmout stejný kvantový stav (jako je úhlová hybnost nebo „rotace“).
A ukážeme, že toto pravidlo brání částic v kolapsové hmotě, aby byly stlačeny na neurčito. Výsledkem je, že se kolaps zastaví a zvrátí. Odraz je nejen možný – je to nevyhnutelné za správných podmínek.
Je důležité, že k tomuto odrazu dochází zcela v rámci obecné relativity, která se vztahuje na velké měřítka, jako jsou hvězdy a galaxie, v kombinaci se základními principy kvantové mechaniky – žádná exotická pole, další dimenze nebo spekulativní fyzika.
Na druhé straně odrazu se objevuje vesmír pozoruhodně jako náš vlastní. Ještě překvapivější je, že odskok přirozeně produkuje dvě samostatné fáze zrychlené expanze – inflaci a tmavá energie – poháněná hypotetickými poli, ale fyzikou samotného odrazu.
Testovatelné předpovědi
Jednou ze silných stránek tohoto modelu je to, že vytváří testovatelné předpovědi. Předpovídá malé, ale nenulové množství pozitivního prostorového zakřivení-což znamená vesmír není úplně plochýale mírně zakřivený, jako povrch Země.
Toto je prostě relikvie počáteční malé hustoty, která spustila kolaps. Pokud budoucí pozorování, jako je probíhající Euclid MissionPotvrďte malé pozitivní zakřivení, bylo by silné náznaky, že náš vesmír skutečně vynořil z takového odrazu. Rovněž předpovědí o současné míře expanze vesmíru, což již bylo ověřeno.
Tento model dělá více než vyřešit technické problémy se standardní kosmologií. Mohlo by to také vrhnout nové světlo na další hluboká tajemství v našem chápání raného vesmíru – jako je původ supermassivních černých děr, povaha temné hmoty nebo hierarchická formace a vývoj galaxií.
Tyto otázky budou prozkoumat budoucí kosmické mise, jako například Arrakihskterý bude studovat difúzní rysy, jako jsou hvězdné halos (sférická struktura hvězd a globulárních shluků obklopujících galaxie) a satelitní galaxie (menší galaxie, které oběžné oběžné dráhy), které je obtížné detekovat tradiční dalekohledy ze Země a pomůže nám porozumět temné hmotě a evoluci galaxií.
Tyto jevy mohou být také spojeny s relikviemi kompaktními předměty – jako jsou černé díry -, které se vytvořily během kolapsové fáze a přežily odraz.
Vesmír Black Hole také nabízí nový pohled na naše místo ve vesmíru. V tomto rámci leží celý náš pozorovatelný vesmír uvnitř vnitřku černé díry vytvořené v nějakém větším „rodičovském“ vesmíru.
Nejsme zvláštní, nic víc než Země nebyla v geocentrickém světonázoru, který vedl Galileo (astronom, který navrhl, že Země se točí kolem slunce v 16. a 17. století), aby se umístila do domácího vězení.
Nejsme svědky narození všeho od ničeho, ale spíše o pokračování kosmického cyklu – které je utvářeno gravitací, kvantovou mechanikou a hlubokými propojeními mezi nimi.
Tento upravený článek je znovu publikován Konverzace Podle licence Creative Commons. Přečtěte si Původní článek.
