Làm thế nào trọng lực có thể dẫn đến kịch bản Big Crunch?

Theo vũ trụ học hiện đại, không gian đang mở rộng, khiến khoảng cách thích hợp (nhưng không phải là khoảng cách hài hòa) tăng lên giữa các thiên hà. Trong giả thuyết Big Crunch, trọng lực dừng lại và đảo ngược sự giãn nở của Vũ trụ, khiến mọi vật chất va chạm và cuối cùng tạo thành một lỗ đen duy nhất. Điều này nhường chỗ cho các giả thuyết vũ trụ dao động khác, thường đề xuất rằng các điều kiện trong Vũ trụ nén sẽ giống như các điều kiện trong Vụ nổ lớn, dẫn đến một chu kỳ mở rộng và hợp đồng vũ trụ.

Bỏ qua các vấn đề với entropy trong việc đưa vũ trụ trở lại điều kiện Big Bang, làm thế nào lực hấp dẫn có thể là nguyên nhân của Big Crunch ngay từ đầu? Cụ thể, trọng lực (theo hiểu biết của tôi) chỉ làm cong không gian; ý tưởng rằng nó có thể hoàn nguyên Vũ trụ theo các điều kiện của Vụ nổ lớn dường như ngụ ý rằng lực hấp dẫn thực sự có thể co lại không gian. Đây thực sự là trường hợp?

Nếu không, các vật thể hấp dẫn sẽ được di chuyển qua một hệ tọa độ hài, do đó, không gian sẽ không thực sự bị co lại. Theo như tôi có thể nói, chúng ta sẽ có tất cả các vật chất của Vũ trụ được nén trong một điểm duy nhất trong không gian, thay vì tự co lại theo không gian. Điều này nên hoàn toàn không giống như Big Bang, khi không gian bị giãn nở ít hơn nhiều so với bây giờ. Nếu đây thực sự là những gì mà giả thuyết Big Crunch mô tả, thì tôi hoàn toàn bối rối về việc một vũ trụ dao động có thể hoạt động như thế nào trong tình huống như vậy.

Có phải tôi đã nhầm, hay giả thuyết vũ trụ Big Crunch và dao động ngụ ý rằng lực hấp dẫn thực sự co lại không gian (như trong khoảng cách hấp dẫn của các vật thể hấp dẫn sẽ không thay đổi)? Nếu không, làm thế nào trọng lực có thể dẫn đến những kịch bản này?

— Ngài Căng thẳng
nguồn

Trừ khi bạn có ý tưởng về việc mở rộng sẽ dừng lại như thế nào, trọng lực không thể làm bất cứ điều gì.

— gọi là2voyage

@ gọi2voyage Điều đó không khắc phục sự nhầm lẫn. Làm thế nào Big Crunch có thể có thể do trọng lực?

— Sir Cumference

Tôi cũng cần làm rõ thêm về điều đó, chỉ cần lưu ý rằng Big Crunch không có khả năng xảy ra.

— called2voyage

Nếu độ cong là đủ thì gốc tọa độ kết thúc. Ý tưởng là (tôi không chắc nhiều người nghĩ rằng nó đứng trước dữ liệu ngày nay), rằng xung lực ban đầu từ Vụ nổ lớn đã bị giảm tốc độ hấp dẫn và cuối cùng vũ trụ sẽ bắt đầu co lại khi áp lực hấp dẫn.

— adrianmcmenamin

Đây không phải là một câu trả lời, nhưng trong lịch sử vũ trụ của chúng ta, lực hấp dẫn đã làm chậm quá trình mở rộng không gian. Cho đến 5 tỷ năm trước, vũ trụ của chúng ta đã chậm lại trong quá trình mở rộng, do lực hấp dẫn. Mãi cho đến khi nó trở nên đủ lớn để năng lượng tối có thể chế ngự được lực hấp dẫn và buộc sự giãn nở phải tăng tốc. Bên cạnh đó, bạn không nghĩ rằng "cong" thời gian không gian liên quan đến việc ký hợp đồng tại địa phương? Bạn không thể uốn cong không gian 3D trong 3D mà không mở rộng một phần của nó và ký hợp đồng với một phần khác.

— zephyr

Câu trả lời:

Lượng vật chất trong vũ trụ có liên quan trực tiếp đến độ cong của không gian. Chúng ta có thể xem các phương trình Friedmann để xem cách thức hoạt động của nó: Đây là phương trình cho xác định hệ số tỷ lệ để tìm khoảng cách trong vũ trụ tại bất kỳ thời điểm nào. Ở đây, là hằng số Hubble, là hệ số tỷ lệ, là hằng số hấp dẫn, là mật độ vật chất (cả vật chất tối và vật chất ), là mật độ bức xạ (photon), là hằng số vũ trụ do năng lượng tối, và

H (t)^{2} = \frac{R^{'} (t)^{2}}{R (t)^{2}} = \frac{8 π G}{3} (ρ_{m} + ρ_{r}) + \frac{1}{3} Λ - \frac{c^{2}}{R^{2} R^{2}}

$H(t)^2 = \frac{R'(t)^2}{R(t)^2} = \frac{8\pi G}{3}(\rho_{m} + \rho_{r}) + \frac{1}{3}\Lambda - \frac{c^2}{R^2\mathscr{R}^2}$

H

$H$

R

$R$

G

$G$

ρ_{m}

$\rho_m$

ρ_{r}

$\rho_r$

Λ

$\Lambda$

R

$\mathscr{R}$ là bán kính cong của không gian.

Tiếp theo, chúng tôi xác định số lượng chúng tôi gọi là "mật độ tới hạn" ( ). Đây là mật độ vật chất cần thiết để làm cho vũ trụ chuyển từ hình học hyperbol "mở" sang hình học hình cầu "khép kín". . Chúng tôi tạo một giá trị để tính đến mật độ quan trọng này, thực hiện phương trình của chúng tôi: $\rho_c$ $\rho_c=\frac{3H^2}{8\pi G}$ $\Omega=\frac{\rho}{\rho_c}=\frac{8\pi G \rho}{3H^2}$

H^{2} = Ω_{m} + Ω_{r} + Ω_{Λ} - \frac{c^{2}}{R^{2} R^{2}}

$H^2 = \Omega_m + \Omega_r + \Omega_\Lambda - \frac{c^2}{R^2\mathscr{R}^2}$

Từ đây, chúng tôi nhập các giá trị ngày nay cho tất cả mọi thứ. Chúng tôi xác định là 1 và là vào ngày hôm nay. Chúng tôi cũng chọn cách bỏ qua mật độ bức xạ và năng lượng tối. Đơn giản hóa phương trình một chút cho chúng ta: $R$ $H$ $H_0$

\frac{c^{2}}{R^{2}} = H_{0}^{2} (Ω_{m, 0} - 1)

$\frac{c^2}{\mathscr{R}^2} = H_0^2(\Omega_{m,0} - 1)$

Từ đây, chúng ta có thể thấy rằng độ cong của vũ trụ phụ thuộc vào , liên quan trực tiếp đến mật độ vật chất trong vũ trụ. Cụ thể, với , sẽ dương, có nghĩa đây sẽ là một vũ trụ hình cầu, khép kín. Nếu , sẽ âm, nghĩa là vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi, có độ cong hyperbol. Nếu , thì , đó là một vũ trụ phẳng. $\Omega_{m,0}$ $\Omega_{m,0}\gt1$ $\mathscr{R}$ $\Omega_{m,0}\lt1$ $\mathscr{R}$ $\Omega_{m,0}=1$ $\mathscr{R}=\infty$

Vì vậy, chúng ta có thể thấy rằng có một vũ trụ đủ dày đặc, lực hấp dẫn sẽ uốn cong không gian và làm cho nó hình cầu. Bạn cũng có thể sử dụng Phương trình Friedmann để tính toán tham số giảm tốc của không gian - tốc độ mở rộng đang chậm lại hay tăng tốc:

q_{0} = \frac{Ω_{m, 0}}{2}

$q_0=\frac{\Omega_{m,0}}{2}$

Ở đây, chúng ta có thể thấy rằng trong một vũ trụ cong tích cực, , có nghĩa là sự giãn nở của vũ trụ sẽ giảm tốc. Cuối cùng, tốc độ mở rộng sẽ âm, và sau đó nó sẽ bắt đầu sụp đổ vào chính nó. $q_0>0$

Một điều cần lưu ý khi nghĩ về điều này là lực hấp dẫn, theo một cách nào đó, có thể được coi là một 'lực lượng hư cấu'. Trọng lực là các đối tượng lực cảm thấy khi chúng cố gắng di chuyển theo đường thẳng trong không thời gian cong. Vật chất là nguyên nhân gây ra sự cong của không thời gian, vì vậy bằng cách tăng mật độ vật chất trong vũ trụ, bạn tăng độ cong và do đó làm cho các vật thể muốn di chuyển gần nhau hơn, sẽ làm tăng mật độ, làm tăng độ cong. Do đó, bạn có một chu kỳ phản hồi, nơi cuối cùng bạn sẽ thu thập tất cả vật chất tại một điểm và , vì vậy không thời gian sẽ có bán kính cong 0, nghĩa là không thời gian cũng bị sụp đổ. $\mathscr{R}=0$

— Phiteros
nguồn

Bạn đã chỉ ra rằng độ cong của Vũ trụ phụ thuộc vào mật độ khối lượng của nó. Bạn có thể giải thích làm thế nào điều này sẽ khiến không gian bị co lại, nếu không phải do trọng lực? Trên thực tế, tôi có thể rất nhầm, nhưng khi , lực hấp dẫn không đủ mạnh để ngăn chặn và đảo ngược sự giãn nở?

ρ_{c} < ρ

$ρ_c<ρ$

— Ngài Cumference

@SirCumference Tôi nghĩ rằng quyền của bạn, nếu mật độ của vũ trụ lớn hơn mật độ tới hạn thì trọng lực cuối cùng sẽ chiến thắng và mở rộng ngược lại.

— Trưởng khoa

@SirCumference Điều đó thực sự được tích hợp vào . Vì , khi , .

Ω

$\Omega$

Ω = \frac{ρ}{ρ_{c}}

$\Omega=\frac{\rho}{\rho_c}$

ρ > ρ_{c}

$\rho\gt\rho_c$

Ω > 1

$\Omega\gt1$

— Phiteros

@Phiteros, tôi biết điều này. Tôi đang hỏi tại sao bạn nói lực hấp dẫn không liên quan đến sự co lại của vũ trụ

— Ngài Cumference

@SirCumference Vâng, tôi không biết tại sao tôi lại nói như vậy. Tôi đã viết điều này vào đêm khuya. Hãy để tôi sửa lại nó.

— Phiteros

Nói một cách ít toán học hơn, kịch bản Big Crunch xảy ra nếu tỷ lệ tổng mật độ của Vũ trụ so với tốc độ mở rộng của nó đủ lớn . $^\dagger$

Khi tôi hiểu câu hỏi của bạn, về cơ bản, bạn đang hỏi, " Tại sao một vũ trụ đủ dày đặc không chỉ đơn giản là co lại thành một cụm? Tại sao nó phải tự kéo không gian với nó? "

Và về cơ bản, bạn tự trả lời câu hỏi đó: Vâng, không gian thực sự bị "trói buộc" với vật chất . Đây là bản chất của phương trình Friedmann, và của thuyết tương đối rộng nói chung. Theo hiểu biết của tôi, không có "bằng chứng" nào về điều này ngoài, đó là một trong những nền tảng của GR, cho đến nay đã chứng minh một lý thuyết cực kỳ thành công. Trong các khu vực quá mức vừa phải (cụm thiên hà) không gian mở rộng chậm hơn so với các khu vực thiếu thốn (khoảng trống). Ở các khu vực quá tải (thiên hà, sao, mèo, v.v.), nó không mở rộng chút nào. Và trong các khu vực cực kỳ quá tải (lỗ đen), hợp đồng không gian. Trong trường hợp lỗ đen, không gian chỉ co lại cục bộ, nhưng về nguyên tắc, toàn bộ Vũ trụ có thể làm điều tương tự. Chỉ có mở rộng mới ngăn chặn điều này, và dường như có thể ngăn chặn nó mãi mãi.

Chúng tôi tin rằng Vũ trụ là đồng nhất và đẳng hướng; nếu đây thực sự là trường hợp, vật chất sẽ không thể co lại thành một điểm trong Vũ trụ và tạo ra một lỗ đen khổng lồ trong Vũ trụ đang giãn nở khác, vì mọi vật chất đều bị thu hút theo mọi hướng. Có lẽ bạn có thể hình dung các khối vật chất co lại trên quy mô rất lớn, nhưng phổ quát, để tạo ra nhiều lỗ đen siêu nhỏ, nhưng hóa ra, tốc độ mở rộng chỉ đơn giản là quá lớn trong Vũ trụ ban đầu để xảy ra, và bây giờ đã quá muộn

$^\dagger$ _{Điều này tương tự như một hòn đá được ném lên trở lại một lần nữa nếu tỷ lệ của lực hấp dẫn giữa Trái đất và đá với tốc độ mà nó được ném là quá lớn.}

— pela
nguồn

Bạn có thể tự do sử dụng toán học, tôi đã được tiếp xúc với phương trình Friedmann và các thuật ngữ khác. Dù sao, bạn dường như nghĩ rằng tôi đang đề xuất một số ý tưởng mới. Thay vào đó, tôi đang cố gắng hiểu logic của giả thuyết Big Crunch, vốn khá nổi tiếng. Không có mô tả nào tôi tìm thấy khớp với những gì bạn đề xuất - và trong khi tôi đồng ý ý kiến của bạn có ý nghĩa khi , tôi đang nói về một vũ trụ trong đó . Đó là ý tưởng quan trọng của giả thuyết Big Crunch, rằng vũ trụ cuối cùng sẽ co lại. Tôi đang cố gắng để hiểu làm thế nào sự co lại sẽ hoạt động.

ρ_{c} = ρ

$\rho_c = \rho$

ρ_{c} < ρ

$\rho_c < \rho$

— Ngài Cumference

Ngoài ra, bạn không làm rõ liệu cơ thể thu hút hấp dẫn có thay đổi trong khoảng cách hài hước hay không. Tôi giả sử rằng khi bạn nói "trong các khu vực quá mức, hợp đồng không gian", bạn có nghĩa là hai đối tượng thu hút không giảm khoảng cách hài hước?

— Ngài Cumference

@SirCumference: Không không, tôi không nghĩ bạn đã đề xuất một lý thuyết mới, tôi đọc câu hỏi của bạn là "tại sao điều này không xảy ra". Và lý do tôi không sử dụng toán học là vì nó cơ bản được đưa ra trong câu trả lời của Phiteros. Dù sao, vũ trụ sẽ không hợp đồng, chỉ có một . Và sự co lại này sẽ diễn ra trong tọa độ comoving. Quá liều cục bộ vừa phải chậm phát triển hoặc ngừng co trong com. coords (cụm và thiên hà), và làm cho công cụ sụp đổ trong tọa độ vật lý cho đến khi một cái gì đó ngăn chặn điều này (ví dụ như áp suất bức xạ trong một ngôi sao). Nếu quá mức quá lớn (một lỗ đen), thì

ρ = ρ_{c}

$\rho=\rho_c$

ρ > ρ_{c}

$\rho>\rho_c$

— pela

Sau đó không có gì có thể ngăn chặn sự sụp đổ tiếp tục trong vật lý. coords dẫn đến sự sụp đổ trong com. coords., tức là một số ít. Nhưng kịch bản này khác với Big Crunch theo nghĩa là đối với một BH, chỉ có BH thu hút, nên vật chất chảy trong vật lý. coords hướng đến trung tâm. Đối với Vũ trụ, không có khối lượng trung tâm, vì vậy sẽ không có chuyển động trong vật lý. coords (tất nhiên trừ các vận tốc nhỏ "đặc biệt").

— pela

Thật vậy, nếu có một lỗ đen được tạo ra từ mọi vật chất với một khoảng trống xung quanh nó, điều đó có nghĩa là vũ trụ đã phát triển một trung tâm. Từ quan điểm đó, người ta phải xem xét nghịch lý thông tin của loại kịch bản đó. Nếu tất cả các sóng lại lặp lại với nhau, thông qua các nguyên tắc điều chế và tương tác tần số, nó sẽ tạo ra sự phức tạp đến mức việc nén lượng vật chất đó sẽ gây ra sự biến dạng thời gian, nhiệt độ cao và nút thắt thông tin lớn đến mức nó sẽ tạo ra nhiều vũ trụ hơn ở trạng thái mở rộng ban đầu của nó.

— com.p hiểu được