Prosta odpowiedź brzmi: nie, Wielki Wybuch nie nastąpił w pewnym momencie. Zamiast tego wydarzyło się to wszędzie we wszechświecie w tym samym czasie. Konsekwencje tego obejmują:

• Wszechświat nie ma centrum: Wielki Wybuch nie miał miejsca, więc nie ma centralnego punktu we wszechświecie, z którego się rozszerza.

• Wszechświat nie rozszerza się w nic: ponieważ wszechświat nie rozszerza się jak kula ognia, nie ma przestrzeni na zewnątrz wszechświat, w który się rozszerza.

W następnej sekcji nakreślę przybliżony opis tego, jak to może być, a następnie bardziej szczegółowy opis bardziej zdeterminowani czytelnicy.

Uproszczony opis Wielkiego Wybuchu

Wyobraź sobie pomiar naszego obecnego wszechświata, rysując siatkę w odstępie 1 roku świetlnego. Chociaż oczywiście nie możemy tego zrobić, możesz łatwo wyobrazić sobie umieszczenie Ziemi na (0, 0), Alpha Centauri na (4,37, 0) i wykreślenie wszystkich gwiazd na tej siatce. Najważniejsze jest to, że ta siatka jest nieskończona $ ^ 1 $ , tj. Nie ma sensu, aby dalej nie można było jej rozciągać.

Teraz czas cofa się do 7 miliardów lat po Wielkim Wybuchu, czyli mniej więcej w połowie drogi wstecz. Nasza siatka ma teraz odstęp pół roku świetlnego, ale nadal jest nieskończony - nadal nie ma jej krawędzi. Średnia odległość między obiektami we Wszechświecie zmniejszyła się o połowę, a średnia gęstość wzrosła o współczynnik 2 ^ 3 $ .

Teraz cofnij się do 0,0000000001 sekund po Wielkim Wybuchu. Ta liczba nie ma specjalnego znaczenia; po prostu ma być bardzo mały. Nasza siatka ma teraz bardzo małe odstępy, ale nadal jest nieskończona. Bez względu na to, jak blisko zbliżamy się do Wielkiego Wybuchu, wciąż mamy nieskończoną siatkę wypełniającą całą przestrzeń. Być może słyszałeś programy pop-science opisujące Wielki Wybuch jako dziejący się wszędzie i właśnie to mają na myśli. Wszechświat nie skurczył się do punktu w Wielkim Wybuchu, po prostu odstęp między dowolnymi dwoma losowo wybranymi punktami czasoprzestrzeni zmniejszył się do zera.

Więc w Wielkim Wybuchu mamy bardzo dziwny sytuacja, w której odległość między każdym punktem we wszechświecie wynosi zero, ale wszechświat jest nadal nieskończony. Całkowity rozmiar wszechświata wynosi zatem $ 0 \ times \ infty $ , co jest niezdefiniowane. Prawdopodobnie myślisz, że to nie ma sensu, a większość fizyków zgadza się z tobą. Wielki Wybuch to osobliwość i większość z nas nie uważa, że ​​osobliwości faktycznie występują w prawdziwym wszechświecie. Spodziewamy się, że pewien efekt grawitacji kwantowej stanie się ważny, gdy zbliżamy się do Wielkiego Wybuchu. Jednak w tej chwili nie mamy działającej teorii grawitacji kwantowej, która wyjaśniałaby dokładnie, co się dzieje.

$ ^ 1 $ zakładamy, że wszechświat jest nieskończony - więcej na ten temat w następnej sekcji

Tylko dla zdeterminowanych czytelników

Aby dowiedzieć się, jak wszechświat ewoluował w przeszłości i co się z nim stanie w przyszłości, musimy rozwiąż równania Einsteina ogólnej teorii względności dla całego wszechświata. Otrzymane rozwiązanie to obiekt zwany tensorem metrycznym, który opisuje czasoprzestrzeń wszechświata.

Ale równania Einsteina są równaniami różniczkowymi cząstkowymi, w wyniku czego mają całą rodzinę rozwiązań. Aby otrzymać rozwiązanie odpowiadające naszemu wszechświatowi, musimy określić pewne warunki początkowe. Powstaje zatem pytanie, jakie warunki początkowe zastosować. Cóż, jeśli spojrzymy na otaczający nas wszechświat, zauważymy dwie rzeczy:

1. jeśli uśredniamy w dużych skalach, wszechświat wygląda tak samo we wszystkich kierunkach, to znaczy izotropowy

2. jeśli uśredniamy w dużych skalach, wszechświat jest wszędzie taki sam, to znaczy jest homogeniczny

Możesz słusznie zauważyć, że wszechświat nie wygląda zbyt jednorodnie, ponieważ zawiera galaktyki o dużej gęstości, losowo rozrzucone w przestrzeni o bardzo małej gęstości. Jeśli jednak uśrednimy w skalach większych niż rozmiar supergromad galaktyk, otrzymamy stałą średnią gęstość. Ponadto, jeśli spojrzymy wstecz na czas wyemitowania kosmicznego mikrofalowego tła (380 000 lat po Wielkim Wybuchu i na długo przed rozpoczęciem formowania się galaktyk), stwierdzimy, że Wszechświat jest jednorodny do około 1 $ $ część w 10 ^ 5 $ , co jest dość jednorodne.

Zatem jako warunki początkowe określmy, że wszechświat jest jednorodny i izotropowe, a przy tych założeniach równanie Einsteina ma (stosunkowo!) proste rozwiązanie. Rzeczywiście, rozwiązanie to znaleziono wkrótce po sformułowaniu przez Einsteina ogólnej teorii względności i zostało odkryte niezależnie przez kilka różnych osób. W rezultacie rozwiązanie chwali się nazwą miernik Friedmanna – Lemaître – Robertson – Walker, chociaż zwykle zobaczysz to skrócone do metryki FLRW lub czasami metryki FRW (dlaczego Lemaître pomija metrykę. Nie jestem pewien ).

Przypomnij sobie siatkę, którą opisałem, aby zmierzyć wszechświat w pierwszej części tej odpowiedzi, i jak opisałem kurczenie się siatki, gdy cofaliśmy się w czasie w kierunku Wielkiego Wybuchu? Cóż, wskaźnik FLRW czyni to ilościowym. Jeśli $ (x, y, z) $ jest jakimś punktem na naszej siatce, to aktualna odległość do tego punktu jest podana przez twierdzenie Pitagorasa:

$$ d ^ 2 = x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 $$

Metryka FLRW mówi nam, że odległość zmienia się w czasie zgodnie z równaniem:

$$ d ^ 2 (t) = a ^ 2 (t) (x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2) $$

gdzie $ a (t) $ jest funkcją zwaną [współczynnikiem skali]. Otrzymujemy funkcję dla współczynnika skali, kiedy rozwiązujemy równania Einsteina. Niestety nie ma prostej formy analitycznej, ale została obliczona w odpowiedziach na poprzednie pytania Jaka była gęstość Wszechświata, kiedy miał tylko rozmiar naszego Układu Słonecznego? i Jak zmienia się parametr Hubble'a wraz z wiekiem Wszechświata?. Wynik jest następujący:

Wartość współczynnika skali jest zwykle przyjmowana jako jedność w bieżącym czasie, więc jeśli cofniemy się w czasie, a Wszechświat się zmniejszy, mają $ a (t) < 1 $ i odwrotnie, w przyszłości, gdy wszechświat się rozszerzy, będziemy mieć $ a (t) > 1 $ . Wielki wybuch ma miejsce, ponieważ jeśli cofniemy się do czasu do $ t = 0 $ , współczynnik skali $ a (0) $ wynosi zero. To daje nam niezwykły wynik, że odległość do dowolnego punktu we wszechświecie $ (x, y, z) $ wynosi:

$$ d ^ 2 (t) = 0 (x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2) = 0 $$

więc odległość między każdym punktem we wszechświecie wynosi zero. Gęstość materii (gęstość promieniowania zachowuje się inaczej, ale zastanówmy się nad tym) jest określona wzorem:

$$ \ rho (t) = \ frac {\ rho_0} {a ^ 3 (t)} $$

gdzie $ \ rho_0 $ to gęstość w bieżącym czasie, więc gęstość w czasie zero jest nieskończenie duża. W tym czasie $ t = 0 $ metryka FLRW stała się pojedyncza.

Nikt, kogo znam, nie sądzi, że wszechświat naprawdę stał się osobliwy w Wielkim Huk. To nie jest współczesna opinia: pierwszą osobą, którą znam, która publicznie sprzeciwiła się, był Fred Hoyle, który zasugerował teorię stanu stałego, aby uniknąć osobliwości. Obecnie powszechnie uważa się, że pewien efekt grawitacji kwantowej zapobiegnie powstaniu osobliwości geometrii, chociaż ponieważ nie mamy działającej teorii grawitacji kwantowej, nikt nie wie, jak to może działać.

Podsumowując: Wielki Wybuch jest zerową granicą czasową metryki FLRW i jest to czas, w którym odstęp między każdym punktem we Wszechświecie staje się zerowy, a gęstość osiąga nieskończoność. Powinno być jasne, że nie możemy powiązać Wielkiego Wybuchu z pojedynczym punktem przestrzennym, ponieważ odległość między wszystkimi punktami wynosiła zero, więc Wielki Wybuch miał miejsce we wszystkich punktach w przestrzeni. Dlatego powszechnie mówi się, że Wielki Wybuch wydarzył się wszędzie.

W powyższej dyskusji kilka razy od niechcenia odniosłem się do wszechświata jako nieskończonego , ale tak naprawdę mam na myśli to, że nie może mieć krawędzi. Pamiętaj, że wychodzimy z założenia, że ​​wszechświat jest jednorodny, to znaczy wszędzie jest taki sam. Jeśli to prawda, wszechświat nie może mieć krawędzi, ponieważ punkty na krawędzi różniłyby się od punktów oddalonych od krawędzi. Jednorodny wszechświat musi być albo nieskończony, albo zamknięty, czyli mieć topologię przestrzenną 3-sferycznej. Niedawne wyniki Plancka pokazują, że krzywizna jest równa zeru w granicach błędu eksperymentalnego, więc jeśli Wszechświat jest zamknięty, skala musi być znacznie większa niż obserwowalny Wszechświat.

Mój pogląd jest prostszy i obserwacyjny.

Obserwacje mówią, że obecny stan obserwowalnego Wszechświata rozszerza się: tj. wszystkie gromady galaktyk oddalają się od naszej galaktyki i od siebie nawzajem.

Najprostszą funkcją do dopasowania tej obserwacji jest funkcja opisująca eksplozję w czterowymiarowej przestrzeni, czyli sposób, w jaki Wielki Wybuch pojawił się w naszym świecie.

Istnieją eksperci od materiałów wybuchowych, którzy mogą odtworzyć miejsce, w którym nastąpiła eksplozja w trójwymiarowej eksplozji. W czterech wymiarach funkcja opisująca rozszerzanie się przestrzeni prowadzi również do wniosku, że istnieje początek wszechświata, na podstawie którego liczymy czas po Wielkim Wybuchu.

Model BB przetrwał, zmodyfikowany tak, aby pasował do obserwacji jednorodności (fluktuacje kwantowe przed 10 ^-32 sekundami) i obserwacji, że mierzona przez nas ekspansja wydaje się przyspieszać ( otwarcie stożka na zdjęciu)

^Źródło

Zwróć uwagę, że na rysunku punkty zerowe „Wielkiego Wybuchu” są „rozmyte”. Dzieje się tak, ponieważ przed 10 ^-32 sekundami, w których oczekuje się dominacji efektów mechaniki kwantowej, nie ma ostatecznej teorii łączącej zarówno ogólną teorię względności, jak i mechanikę kwantową. Istnieje skuteczna kwantyzacja grawitacji, ale teoria nie stworzyła solidnego modelu.

W ten sposób ekstrapolując za pomocą modelu matematycznego - wywodzącego się z całkowicie klasycznych równań - do obszaru, w którym „początek” wszechświata był, w którym wiemy, konieczne jest rozwiązanie kwantowo-mechaniczne , nie jest uzasadnione.

Weźmy na przykład potencjał związany z ładunkiem punktowym. Klasyczny potencjał elektrodynamiczny wygląda następująco: $ \ frac {1} {r} $ , co oznacza, że ​​w $ r = 0 $ potencjał jest nieskończony. Wiemy jednak, że na odległościach mniejszych niż Fermi, mechanika kwantowa przejmuje kontrolę: chociaż elektron jest ładunkiem punktowym, nie ma nieskończoności. Podobnie, można się spodziewać, że ostateczna skwantyzowana grawitacja ujednolicona z innym modelem sił pozwoli uniknąć nieskończoności, uzasadniając niejasność w miejscu pochodzenia pokazaną na rysunku BB.

Podsumowując, w rozwiązaniu klasycznej mechaniki relatywistycznej Wielkiego Wybuchu istniała „osobliwość punktu początkowego”, która w miarę rozszerzania się wszechświata w wyniku czterowymiarowej eksplozji jest przodkiem na osi czasu każdego punktu w naszym dzisiejszym wszechświecie. Przydatna jest analogia z powierzchnią balonu: punkty dwuwymiarowej powierzchni można ekstrapolować do oryginalnego „punktu”, w którym rozpoczyna się ekspansja nadmuchowa, ale wszystkie punkty były na początku.

Potrzeba dla rozwiązania kwantowo-mechanicznego dla odległości mniejszych niż 10 ^ -32 wymagane od ekstremalnej jednorodności kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła potwierdza, że ​​na początku potrzebne są kwantowe efekty mechaniczne, które spowodują, że początek będzie niewyraźny. Fizycy wciąż pracują nad kwantyzacją grawitacji, aby ekstrapolować na to, co „naprawdę się wydarzyło” .

Dodatek autorstwa Gerolda Brosera

Istnieją dwie dalsze ilustracje:

• Badania przyrody: Ramka: Kalendarium inflacyjnego Wszechświata , nature.com, 15 kwietnia 2009

_{(źródło: nature.com)}

• Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC): Inflacja , Stanford University, 31 lipca 2012 r.

Edytuj ponieważ pytanie stało się duplikatem powyższego:

Czy osobliwość podczas Wielkiego Wybuchu była czarną dziurą? [duplikat]

Osobliwości czarnej dziury pochodzą z rozwiązań ogólnej teorii względności i ogólnie opisują bardzo duże masy, które zniekształcają czasoprzestrzeń i mają horyzont, po którym nic nie wychodzi a wszystko kończy się na osobliwości, szczegóły zależą od użytej metryki. Widzisz powyżej w historii obrazu wszechświata, że ​​opis z poprzedniego zdania nie pasuje do wszechświata. Galaktyki i gromady galaktyk oddalają się od siebie, co doprowadziło do powstania modelu Wielkiego Wybuchu, a co więcej, ekspansja przyspiesza, jak widać na obrazku.

Więc matematyka Wielkiego Wybuchu nie podąża za czarną dziurą matematyka.

Odpowiedź jest taka, że ​​nie wiemy. Czemu? Ponieważ teoria grawitacji, którą mamy i której używamy, GR, ma osobliwość. Rzeczy, które w teorii fizycznej powinny być skończone, jak gęstość, stają się nieskończone. A teorie z osobliwością są po prostu błędne, wymagają modyfikacji, a ta modyfikacja jest konieczna nie tylko w samej osobliwości, ale już w jakimś środowisku tej osobliwości.

Co więcej, wiemy już z niezależnych powodów, że modyfikacja jest konieczna: ponieważ jeśli spojrzymy na czas 10 $ ^ {- 44} $ s po osobliwości, ważna staje się grawitacja kwantowa, która jest nieznaną teorią.

Mamy też dowody empiryczne, że najbardziej trywialny model oparty na dobrze ugruntowanych teoriach (GR z SM dla materii) zawodzi: jest to tak zwany problem horyzontu. Rozwiązanie wymaga przyspieszonej ekspansji w bardzo wczesnym wszechświecie. Można zaproponować modele, które prowadzą do takiej ekspansji w oparciu o teorię cząstek, teorie zwykle nazywane „inflacją” (co nie jest bardzo mylące, jak wyjaśniam tutaj), ale zazwyczaj używają one spekulacyjnych rozszerzeń SM, takich jak GUT , supersymetria, struny i tak dalej. Tak więc, nawet szczegóły teorii cząstek, które dawałyby inflację, są nieznane.

Tak więc, chociaż teoria Wielkiego Wybuchu jest dobrze ugruntowana, jeśli myśli się o tym, że wszystko było tak gęste jak wewnątrz Słońca, a powiedziałbym, że jest wiarygodne, jeśli jest tak gęste jak wewnątrz gwiazdy neutronowej, nie mamy zbyt wielu powodów, aby sądzić, że Teorie mają zastosowanie do znacznie wyższych gęstości, a już na pewno nie do nieskończonej gęstości.

Z czysto matematycznego punktu widzenia nie można też nic powiedzieć o samej osobliwości.Jeśli na przykład weźmie się pod uwagę metrykę w najbardziej typowych współrzędnych FLRW $ ds ^ 2 = d \ tau ^ 2-a ^ 2 (\ tau) (dx ^ 2 + dy ^ 2 + dz ^ 2) $, wówczasosobliwość to cały $ \ mathbb {R} ^ 3 $.Granica odległości między punktami wynosiłaby zero (co jest powodem, dla którego zazwyczaj preferuje się obraz z osobliwością punktu).Z drugiej strony granicą tego, co jeden punkt, który przesuwa się w kierunku osobliwości, może przyczynowo wpłynąć na jego przyszłość, pozostaje (bez inflacji) mały obszar, który w żaden sposób nie pokrywa całego wszechświata, co znacznie lepiej odpowiada całemu dolarowi.\ mathbb {R} ^ 3 $ osobliwość przestrzeni.

Eksplozja, którą widziałeś, jest w rzeczywistości czterowymiarową reprezentacją wszechświata.Jeśli reprezentujemy wszechświat w 4D, to w pewnym momencie nastąpił wielki wybuch i rozszerza się jako pusta kula.Ale w 3D wielki wybuch powinien nastąpić w każdym punkcie wszechświata i rozszerzyć się w każdym kierunku.Ta interpretacja wykorzystuje model wszechświata Friedmana.

Oprócz tego, co powiedzieli inni, pozwólcie mi wyjaśnić prostą analogię do rozszerzania się wszechświata.

Rozważmy balon, którego powierzchnię uważa się za wszechświat.Narysujmy na balonie kropki, które symbolizują galaktyki.Teraz dmuchnij balon.Wszystkie galaktyki zaczną się od siebie oddzielać.Teraz przypuśćmy, że jesteś na jednej z galaktyk.Zaobserwujesz, jak wszystkie galaktyki oddalają się od Ciebie i dojdziesz do wniosku, że ty znajdujesz się w centrum wszechświata.To obserwuje każda galaktyka.To dlatego Nie ma żadnego centrum ekspansji wszechświata.

Mam nadzieję, że podobała Ci się moja analogia.

[Uwaga redakcyjna: ta odpowiedź miała być komentarzem do komentarza @ good_ole_ray do odpowiedzi Johna Renniego, ale limit 600 znaków… wiesz.]

Odp. „ galaktyki wydają się oddalać od wspólnego centrum ”

„wspólne centrum” jest bardziej odpowiednie niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.

Jasne, to nie jest tego rodzaju środek, który 99% ludzi rozumie jako taki: pojedynczy punkt otoczony innymi punktami, przy czym najbardziej zewnętrzne punkty znajdują się w idealnie równej odległości od środka, czyli rzeczy znane jako kula, kula, kula, kula lub miska, pusta czy nie ma znaczenia.

Centrum, o którym tutaj mówię, jest tak „powszechne” w znaczeniu „połączenia”, ponieważ wszystkie istniejące punkty w naszym wszechświecie są tym środkiem.

Łatwiej jest zrozumieć, wyobrażając sobie młody wszechświat, na początku raczej mały. Wtedy wyglądało to bardziej jak punkt, jaki znamy z naszego codziennego życia.

Ale ewoluował, rozszerzał się i rozszerzał w taki sposób, że między dowolnymi dwoma punktami (lub jednostkami przestrzeni) powstał inny punkt (lub jednostka przestrzeni). Takie „wypychanie” dwóch poprzednich punktów (lub jednostek przestrzeni) od siebie.

Dzieje się tak od 13,7 miliardów lat, w dowolnym punkcie wszechświata, tak że punktów, które kiedyś były jednym , jest teraz wiele. Innymi słowy: dowolny punkt jest teraz daleko, daleko od każdego innego punktu, który kiedyś znajdował się w tej samej pozycji. Ale nadal są centrum, ponieważ kiedyś były centrum. Ta ich własność nie uległa zmianie, ponieważ nie poruszyli się z powodu prawidłowego ruchu, ale ponieważ powstała między nimi nowa przestrzeń.

A dlaczego tak się dzieje? Ponieważ Wielki Wybuch nie był eksplozją w zdrowym rozsądku. Ponieważ nie było miejsca, w które coś mogłoby eksplodować. Przestrzeń i czas, jeśli o to chodzi, zaczęły istnieć dopiero wraz z Wielkim Wybuchem.

Dzieje się to również powoli na małą skalę. Najnowsza wartość parametru Hubble'a to 71 USD _ {- 3,0} ^ {+ 2.4} \ frac {km} {Mpc \ cdot s} $ span> który jest raczej mały na małą skalę (jeśli weźmie się pod uwagę AU [~ 150m km] za mały - ale w porównaniu z wymiarami astronomicznymi jest to i tak małe):

$$ 1 \ space Mpc = 3.09 \ cdot 10 ^ {22} \ space m $$ $$ 1 \ space AU = 1.5 \ cdot 10 ^ {11} \ space m $$

Zatem (teoretyczny) wzrost średniej odległości między Słońcem a Ziemią w wyniku rozszerzania się Wszechświata można obliczyć jako

$$ v _ {\ Delta {AU}} = 3.44 \ cdot 10 ^ {- 7} \ space \ frac {m} {s} = 10,86 \ space \ frac { m.} {yr}. $$

Ale ponieważ działo się to przez tak długi czas, dawna mała skala stała się duża wszędzie, ale w pobliżu naszej galaktyki (a dokładniej: w pobliżu dowolnego [subiektywnego] punktu obserwacyjnego we Wszechświecie). I pamiętaj, że dotyczy to tylko samej przestrzeni. Nie oznacza to, że Ziemia faktycznie oddala się od słońca lub że ty nieustannie oddalasz się od swoich ukochanych i odwrotnie. Pamiętaj, że istnieje grawitacja, najsłabsza z czterech podstawowych interakcji według jej czynników

$$ m_1 \ cdot m_2 \ cdot \ frac {1} {r ^ 2} $$

ale najbardziej nieugięty, jeśli chodzi o masy.

„ galaktyki wydają się oddalać od wspólnego centrum ” również nie jest prawdziwe dla wszystkich galaktyk obserwowanych z dowolnego punktu obserwacyjnego. Na przykład linie widmowe galaktyki Andromeda są przesunięte ku niebieskiemu. Oznacza to, że jest na tyle blisko nas, że jego właściwy ruch w naszą stronę jest większy niż oddalanie się od nas spowodowane rozszerzaniem się wszechświata:

Andromeda ( 300 ± 4 USD \ frac {km} {s} $ )
← ----------------------------
⊙
␣ --- →
Szybkość rozwijania przy 2,5 m ly, odległość Andromedy (~ 54,42 $ \ frac {km} {s} $ )

Legenda: - ≙ 10 $ \ frac {km} {s} $

[Końcowa uwaga redakcyjna: Cóż, to było trochę więcej niż 600 znaków.]

P.S .: @good_ole_ray Mam nadzieję, że masz możliwość przeczytania tego, zanim zostanie oznaczony jako nieodpowiedni lub nawet gorzej, ponieważ tak naprawdę nie dotyczy oryginalnego pytania.