Fraser “Vraagt een Spaceman” Dr. Paul Matt Sutter - waarom noemen we de Big Bang een singulariteit, terwijl we ook zwarte gaten singulariteiten noemen?
Het heelal is gevuld met toevalligheden. Of de vorm van de Pac-Mannevel of de Tovenaarnevel. Of zoals het plot van Force Awakens en elke andere Star Wars-film, de toevalligheden zijn overal.
Maar hier is een nogal vreemd toeval, en het heeft te maken met de aard van het universum zelf. Volg mij hier.
Laten we eens kijken naar zwarte gaten, een onderwerp dat we vaak op dit kanaal hebben behandeld. Als je genoeg van onze video's hebt bekeken, weet je dat een zwart gat een gebied in de ruimte is waar materie en energie zo dicht zijn gepureerd dat de zwaartekracht-ontsnappingssnelheid de lichtsnelheid overschrijdt.
We weten niet hoe grote zwarte gaten zijn, maar het is mogelijk dat ze zijn verpletterd in een oneindig dichte regio, bekend als een bijzonderheid.
Singulariteit, singulariteit ... waar hebben we dat woord eerder gehoord? Behalve Ray Kurzweil en zijn team van technologische singularitariërs.
Dat woord komt naar voren als we de vorming van het heelal bespreken; de oerknal. In het begin, 13,8 miljard jaar geleden, werd alles in het hele universum verpletterd tot een gebied met een oneindige dichtheid. En toen, in een fractie van een seconde, breidde alles zich uit naar buiten.
Astronomen noemen dit gebied met oneindige dichtheid de Big Bang-singulariteit.
Dit kan niet toevallig zijn, toch? Het is hetzelfde woord. Het is hetzelfde woord!
Was de Big Bang-singulariteit gewoon een echt groot zwart gat-singulariteit? Een zwart gat met alle massa van het heelal erin?
Ik geef toe, deze vraag gaat iets verder dan mijn paygrade. Om de wetenschap volledig uit te leggen, dacht ik dat ik een beltoon zou binnenhalen. Dr. Paul Matt Sutter is astrofysicus bij de Ohio State University en het Astronomical Observatory of Trieste.
Paul is gespecialiseerd in kosmische holtes, hij weet ook veel van zowel de oerknal als de zwarte gaten. Ik heb Paul bereikt op de set van zijn Ask a Spaceman-podcast en gooide deze zanger recht op hem af.
Hey Paul, wat is het verschil tussen de singulariteit die de oerknal vormde en de singulariteit van een zwart gat?
1. Begon het hele universum vanuit een enorm zwart gat?
Paul: Bedankt, Fraser. Dus als we naar singulariteiten kijken, is het belangrijk om in gedachten te houden wat singulariteit is. Een bijzonderheid is een plaats van oneindige dichtheid, en dat is niet echt iets. Het betekent gewoon dat de wiskunde die we gebruiken om het ding te beschrijven, is afgebroken. Alsof we oneindigheden in onze antwoorden krijgen wanneer we proberen te berekenen wat er aan de hand is. Voor zover we weten, gebeuren dit soort dingen, deze uitsplitsingen in de wiskunde, op twee plaatsen. De ene bevindt zich in het midden van een zwart gat, waar dingen zo veel worden samengedrukt dat we de wiskunde niet meer kunnen volgen, en de andere keer is in het zeer vroege universum, wanneer het hele universum tot zo'n klein volume wordt samengeperst bij zulke hoge dichtheden dat we de wiskunde niet meer kunnen volgen. Dat is dus het enige dat ze gemeen hebben: er is een bijzonderheid, wat betekent dat we de wiskunde niet meer kunnen doen.
Paul: En hoewel ze hetzelfde zijn, zijn ze heel erg verschillend. Een zwart gat singulariteit is een punt in de ruimtetijd - zoals je in het universum leeft en je kunt wijzen - er is een bijzonderheid zoals daar of daar of daar. Het is een deel van het universum dat is ingebed in het grotere universum, terwijl de Big Bang-singulariteit het hele hele universum is. Het is iets anders wanneer het hele universum wordt verdicht met zulke ongelooflijk hoge dichtheden dat onze wiskunde het niet meer kan volgen.
2. Waarom stortte het vroege universum niet gewoon terug in een zwart gat?
Paul: Oh, dat is een heel goede vraag, Fraser. Je denkt aan deze ongelooflijk hoge dichtheden in het vroege universum, en het is normaal dat je je afvraagt waarom het zich niet gewoon gedraagt als een zwart gat dat zich gedraagt en in een oneindig dicht punt kruipt - waarom zelfs de moeite nemen om uit te breiden? En het is belangrijk om hier te onthouden hoe verschillend zwarte gaten zijn uit het vroege universum. In beide gevallen gebruiken we algemene relativiteitstheorie - dit zijn de wetten van de zwaartekracht - ze beheersen de wetten van deze systemen. Maar we gebruiken dezelfde reeks vergelijkingen in verschillende scenario's. We gebruiken ze om verschillende dingen te beschrijven. Een zwart gat is een specifieke oplossing voor Einsteins vergelijkingen van algemene relativiteitstheorie, en die oplossing komt voort uit het stellen van de vraag: "Wat gebeurt er als ik een hoop spullen daarheen breng en het tot ongelooflijk hoge dichtheden verdicht?" Het antwoord is dat je een bijzonderheid krijgt omringd door een horizon van gebeurtenissen. Dat is een bepaalde reeks oplossingen voor de wiskunde van dat scenario.
Paul: Maar in het vroege universum hebben we een andere oplossing - we hebben iets anders aan de hand. Het is een ander universum. De black hole-oplossing is statisch - het is opgelost, het verandert niet met de tijd. Dat is een aanname in de wiskunde. Maar in het vroege universum veranderen de dingen. Het is een andere reeks vragen die we proberen te beantwoorden wanneer we algemene relativiteit toepassen op het vroege universum: 'Als ik het hele universum gelijkmatig vul met een heleboel dingen, wat doet het hele universum dan?' Dat is een andere vraag dan de vraag die we stellen over zwarte gaten, en dus krijgen we een ander antwoord. Dus hoewel we die ongelooflijk hoge dichtheid hebben, de wiskundige oplossing die het beschrijft, omdat we de tijdevolutie van het universum beschrijven, krijgen we andere antwoorden dan voor de zwarte gaten. En als het gaat om het vroege universum - als je het gelijkmatig vult met een heleboel dingen en vraagt wat er in hemelsnaam met het universum gebeurt, zijn er maar twee antwoorden. Het spul in het universum zorgt ervoor dat het spul instort en samentrekt, of het spul in het universum zorgt ervoor dat het universum uitzet. En het hangt af van waaruit het universum is gemaakt, en het blijkt handig genoeg dat het universum is gemaakt van het soort dingen waardoor het uitzet. Het is die tijdevolutiecomponent die hier belangrijk is - die het verschil maakt tussen wat er in het vroege universum gebeurt en wat er in een zwart gat gebeurt.
3. Kunnen er in het vroege heelal zwarte gaten zijn ontstaan omdat het zulke hoge dichtheden heeft?
Paul: Oh ja, heel slim, Fraser. Ik zie waar je naartoe gaat. Met ongelooflijk hoge dichtheden vraag je je af of een klein stukje van het universum is afgekneld en een zwart gat heeft gemaakt. Misschien in die vroege microseconden. En waarom kon dat zwarte gat niet zijn uitgebreid om de rest van het universum te consumeren? En de sleutel hier gaat niet over dichtheid, het gaat over verschillen in dichtheid. Wat een zwart gat van mij scheidt, is dat het veel dichter is dan ik, althans dat hoop ik. Daarom is het een zwart gat. Het is veel dichter dan de omgeving. Maar om die zwarte gatvorm te maken, moest je een beetje extra spullen hebben, zoals in een zak, zoals een extra gaswolk of een ster, een iets hogere dichtheid dan normaal. Dan kan de zwaartekracht werken en meer dingen en meer dingen, en meer, binnenhalen en bouwen, totdat je de zwaartekracht instort die leidt tot een zwart gat.
Paul: Maar in het vroege universum was alles uniform. Er waren geen verschillen in zwaartekracht. Ja, het was een ongelooflijk hoge dichtheid, maar als je daarheen kon worden vervoerd en echt zou overleven, zou je nergens zwaartekracht voelen omdat elke richting dezelfde dichtheid heeft. Je wordt in elke richting omringd door dezelfde hoeveelheid spullen - er is geen zwaartekracht. Het heft elkaar allemaal op. Er is dus geen gelegenheid voor een zwart gat omdat een plek in het universum niet dichter is dan een andere, dus alle zwaartekracht valt weg en je krijgt niets. Geen zwart gat - ze komen pas veel op het toneel, veel later in de evolutie van het universum, en tegen die tijd is het universum zo groot dat de zwarte gaten de algehele evolutie niet kunnen beïnvloeden.
4. Op dit moment breidt het universum zich uit - zal het ooit instorten?
Paul: Ja, veel astrofysici en kosmologen maken zich zorgen over deze decennia geleden - we dachten dat ja, misschien breidt het universum zich nu uit, maar misschien zit er een beetje te veel spullen in - misschien zal die uitbreiding vertragen, stoppen en dan omgekeerd, en dan belanden we in dit enorme scenario, het tegenovergestelde van de oerknal.
Paul: Maar het blijkt dat donkere energie hier is en donkere energie de uitdijing van het universum versnelt, dus het universum wordt niet alleen elke dag groter en groter, het wordt elke dag sneller en sneller. En dat, nou, dat is nogal rot.
Dat klinkt behoorlijk open en gesloten, maar er is meer aan deze reis. Als je de massa en energie van het hele universum zou nemen en er een zwart gat van zou maken, zou het bijna exact dezelfde dichtheid hebben als het universum zelf, en een horizon van gebeurtenissen die groter is dan het waarneembare universum.
Betekent dit dat we eigenlijk in een zwart gat leven? Kunnen we het verschil zien?
Podcast (audio): downloaden (duur: 5:13 - 4,8 MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): downloaden (duur: 5:35 - 66,3 MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
