Fraser "Chiede un astronauta" Dr. Paul Matt Sutter - perché chiamiamo il Big Bang una singolarità, quando chiamiamo anche singolarità dei buchi neri?
L'universo è pieno di coincidenze. O la forma della Nebulosa Pac Man o Nebulosa del Mago. O come la trama di Force Awakens e di ogni altro film di Star Wars, le coincidenze sono ovunque.
Ma ecco una coincidenza piuttosto strana, e ha a che fare con la natura dell'Universo stesso. Seguimi con me qui.
Consideriamo i buchi neri, un argomento che abbiamo trattato molte volte su questo canale. Se hai visto abbastanza dei nostri video, sai che un buco nero è una regione dello spazio in cui materia ed energia sono state schiacciate così densamente che la velocità di fuga gravitazionale supera la velocità della luce.
Non sappiamo quanto siano grandi i buchi neri, ma è possibile che si siano frantumati in una regione infinitamente densa, nota come singolarità.
Singolarità, singolarità ... dove abbiamo già sentito quella parola? A parte Ray Kurzweil e il suo equipaggio di singolaritari tecnologici.
Quella parola viene fuori quando discutiamo della formazione dell'Universo; il big Bang. All'inizio, 13,8 miliardi di anni fa, tutto in tutto l'Universo era frantumato in una regione di densità infinita. E poi, in una frazione di secondo, tutto si espanse verso l'esterno.
Gli astronomi chiamano questa regione di densità infinita la singolarità del Big Bang.
Questa non può essere solo una coincidenza, giusto? È la stessa parola È la stessa parola!
La singolarità del Big Bang era solo una singolarità del buco nero davvero grande? Un buco nero con tutta la massa dell'Universo al suo interno?
Lo ammetto, questa domanda è un po 'oltre il mio stipendio. Per spiegare appieno la scienza, ho pensato di portare una suoneria. Il Dr. Paul Matt Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e l'Osservatorio Astronomico di Trieste.
Paul è specializzato in vuoti cosmici, sa anche molto sul Big Bang e sui buchi neri. Ho raggiunto Paul sul set del suo podcast Chiedi a un astronauta e gli ho lanciato questo zenzero.
Ehi Paul, qual è la differenza tra la singolarità che ha formato il Big Bang e una singolarità del buco nero?
1. L'intero universo è partito da un buco nero davvero enorme?
Paul: Grazie, Fraser. Quindi, quando guardiamo alle singolarità, è importante tenere presente cos'è una singolarità. Una singolarità è un luogo di densità infinita, e non è proprio una cosa. Significa solo che la matematica che stiamo usando per descrivere la cosa si è rotta. Come se ottenessimo infiniti nelle nostre risposte quando proviamo a calcolare cosa sta succedendo. Per quanto ne sappiamo, questo genere di cose, queste rotture della matematica, si verificano in due luoghi. Uno è al centro di un buco nero, dove le cose sono compresse così tanto che non possiamo più seguire la matematica, e l'altra volta è nell'universo primordiale, quando l'intero universo è ridotto in un volume così piccolo a densità così elevate che non possiamo più seguire la matematica. Quindi questa è l'unica cosa che hanno in comune: che c'è una singolarità, il che significa che non possiamo più fare matematica.
Paul: E anche se sono uguali, sono molto, molto diversi. Una singolarità del buco nero è un punto nello spaziotempo - come se tu viva nell'universo e puoi puntare - c'è una singolarità come proprio laggiù, o laggiù o laggiù. È un pezzo dell'universo che è incorporato nell'universo più grande, mentre la singolarità del Big Bang è l'intero universo. È una cosa diversa in cui l'intero universo è compresso a densità così incredibilmente alte che la nostra matematica non riesce più a rintracciarlo.
2. Perché l'universo primordiale non è semplicemente ricaduto in un buco nero?
Paul: Oh, questa è un'ottima domanda, Fraser. Stai pensando a queste densità incredibilmente alte nell'universo primordiale ed è naturale chiedersi perché non si sia comportato come un buco nero si comporti e si sgretoli in un punto infinitamente denso - perché preoccuparsi di espandersi? Ed è importante ricordare qui quanto sono diversi i buchi neri dall'universo primordiale. In entrambi i casi, stiamo usando la relatività generale - queste sono le leggi di gravità - governano le leggi di questi sistemi. Ma stiamo usando lo stesso set di equazioni in diversi scenari. Li stiamo usando per descrivere cose diverse. Un buco nero è una soluzione particolare alle equazioni della relatività generale di Einstein, e quella soluzione nasce dal porre la domanda "Se prendo un mucchio di cose laggiù e le compatto a densità incredibilmente alte, cosa succede?" La risposta è che ottieni una singolarità circondata da un orizzonte degli eventi. Questa è una particolare serie di soluzioni per la matematica di quello scenario.
Paul: Ma nell'universo primordiale, abbiamo una soluzione diversa - abbiamo una cosa diversa in corso. È un universo diverso. La soluzione del buco nero è statica: è fissa, è immutabile nel tempo. Questo è un presupposto in matematica. Ma nell'universo primordiale, le cose stanno cambiando. È una serie diversa di domande a cui stiamo cercando di rispondere quando applichiamo la relatività generale all'universo primordiale: "Se riempio uniformemente l'intero universo con un mucchio di cose, che cosa fa l'intero universo?" Questa è una domanda diversa dalla domanda che stiamo ponendo riguardo ai buchi neri, e quindi otteniamo una risposta diversa. Quindi, anche se abbiamo quella densità incredibilmente alta, la soluzione matematica che lo descrive, perché stiamo descrivendo l'evoluzione temporale dell'universo, otteniamo risposte diverse rispetto a quelle ottenute per i bit di buco nero. E quando si tratta dell'universo primordiale - quando lo riempi uniformemente con un mucchio di cose e chiedi cosa diavolo succede all'universo, ci sono solo due risposte. O la roba nell'universo provoca il collasso e la contrazione della roba, o la roba nell'universo provoca l'espansione dell'universo. E dipende da cosa è fatto l'universo, e risulta, abbastanza facilmente, che l'universo è fatto del tipo di cose che lo fa espandere. È quella componente di evoluzione temporale qui che è importante - che stabilisce la differenza tra ciò che sta accadendo nell'universo primordiale e ciò che sta accadendo in un buco nero.
3. Potrebbero essersi formati dei buchi neri nell'Universo primordiale perché ha densità così elevate?
Paul: Oh sì, molto intelligente, Fraser. Vedo dove stai andando con quello. Con densità incredibilmente alte, ti stai chiedendo forse un pezzettino dell'universo pizzicato e fatto un buco nero. Forse in quei primi microsecondi. E perché non poteva espandersi quel buco nero per consumare il resto dell'universo? E la chiave qui non riguarda la densità, riguarda le differenze di densità. Ciò che separa un buco nero da me è che è molto più denso di me, o almeno lo spero. Questo è ciò che lo rende un buco nero. È molto più denso di ciò che lo circonda. Ma per creare quel buco nero, dovevi avere un po 'di cose extra come in una tasca, come una nuvola di gas in più o una stella, una densità un po' più alta del normale. Quindi la gravità può funzionare e iniziare a trascinare più roba, più roba e altro ancora, costruendo e costruendo fino a quando non si ottiene il collasso gravitazionale che porta a un buco nero.
Paul: Ma nell'universo primordiale, tutto era uniforme. Non c'erano differenze di gravità. Sì, era incredibilmente alta densità, ma se potessi essere trasportato lì dietro e sopravvivere davvero, non sentiresti alcuna attrazione gravitazionale da nessuna parte perché ogni direzione ha la stessa densità. Sei circondato dalla stessa quantità di roba in ogni direzione - non c'è gravità. Si annullano a vicenda. Quindi non c'è alcuna possibilità che si formi un buco nero perché ogni punto dell'universo non è più denso di qualsiasi altro, quindi tutta la gravità si annulla e non si ottiene nulla. Nessun buco nero: non entrano in scena fino a molto, molto più tardi nell'evoluzione dell'universo, e a quel punto, l'universo è così grande, i buchi neri non possono influenzare l'evoluzione complessiva.
4. In questo momento l'universo si sta espandendo - un giorno collasserà?
Paul: Sì, molti astrofisici e cosmologi si preoccupano di questi decenni fa - pensavamo che sì, forse l'universo si sta espandendo ora, ma forse ci sono troppe cose in esso - forse quell'espansione rallenterà, si fermerà e poi al contrario, e poi saremmo finiti in questo enorme scenario di crisi, l'opposto del Big Bang.
Paul: Ma si scopre che l'energia oscura è qui e l'energia oscura accelera l'espansione dell'universo, quindi non solo l'universo sta diventando sempre più grande ogni giorno, ma sta diventando sempre più veloce ogni giorno. E quello, beh, quel genere di cose fa schifo.
Sembra abbastanza aperto e chiuso, ma c'è di più in questo viaggio. Se prendessi la massa e l'energia dell'intero Universo e lo trasformassi in un buco nero, avrebbe quasi la stessa identica densità dell'Universo stesso e un orizzonte degli eventi più grande dell'Universo osservabile.
Ciò significa che viviamo in realtà all'interno di un buco nero? Potremmo dire la differenza?
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