Wie kann die Schwerkraft zum Big Crunch-Szenario führen?

Gemäß der modernen Kosmologie dehnt sich der Raum aus, was dazu führt, dass die richtigen Entfernungen (aber nicht die Entfernungen) zwischen den Galaxien zunehmen. In der Big Crunch-Hypothese stoppt die Schwerkraft die Expansion des Universums und kehrt sie um, wodurch alle Materie kollidiert und schließlich ein einziges Schwarzes Loch bildet. Dies weicht anderen Hypothesen des oszillierenden Universums, die im Allgemeinen vorschlagen, dass die Bedingungen in einem komprimierten Universum dieselben sind wie während des Urknalls, was zu einem Zyklus expandierender und kontrahierender Universen führt.

Wie kann die Schwerkraft die Ursache für einen Big Crunch sein, wenn man die Probleme mit der Entropie bei der Rückkehr des Universums zu Urknallbedingungen ignoriert ? Insbesondere krümmt die Schwerkraft (meines Wissens) nur den Raum; Die Idee, dass es das Universum auf die Bedingungen des Urknalls zurückführen kann, scheint zu implizieren, dass die Schwerkraft tatsächlich den Raum zusammenziehen kann. Ist das tatsächlich der Fall?

Wenn nicht, sollten sich die gravitierenden Objekte durch ein sich bewegendes Koordinatensystem bewegen, damit sich der Raum selbst nicht zusammenzieht. Soweit ich das beurteilen kann, hätten wir die gesamte Materie des Universums in einem einzigen Punkt im Raum komprimiert, anstatt dass sich der Raum selbst zusammenzieht. Dies sollte völlig anders sein als der Urknall, als der Raum weit weniger erweitert war als jetzt. Wenn dies tatsächlich das ist, was die Big Crunch-Hypothese beschreibt, dann bin ich völlig verwirrt darüber, wie ein oszillierendes Universum in einer solchen Situation funktionieren könnte.

Irre ich mich oder implizieren die Hypothesen von Big Crunch und oszillierendem Universum, dass die Schwerkraft tatsächlich den Raum zusammenzieht (wie in, würden sich die Entfernungen von gravitativ anziehenden Objekten nicht ändern)? Wenn nicht, wie könnte die Schwerkraft möglicherweise zu diesen Szenarien führen?

— Sir Cumference
quelle

Wenn Sie keine Vorstellung davon haben, wie die Expansion aufhören würde, könnte die Schwerkraft sowieso nichts bewirken.

— Called2voyage

@ Called2Voyage Das behebt die Verwirrung nicht. Wie könnte der Big Crunch aufgrund der Schwerkraft möglich sein?

— Sir Cumference

Ich brauche auch hier mehr Klarheit, nur um festzustellen, dass der Big Crunch sowieso nicht wahrscheinlich ist.

— Called2voyage

Wenn die Krümmung ausreichend ist, verbindet sich der Ursprung mit dem Ende. Die Idee war (ich bin nicht sicher, ob viele glauben, dass es den Daten heutzutage standhält), dass der ursprüngliche Impuls des Urknalls einer Gravitationsverzögerung unterworfen war und sich das Universum schließlich zusammenziehen wird, wenn der Gravitationswiderstand angewendet wird.

— Adrianmcmenamin

Dies ist keine Antwort, aber in der Geschichte unseres Universums hat die Schwerkraft die Expansion des Weltraums bereits verlangsamt. Bis vor 5 Milliarden Jahren verlangsamte sich unser Universum aufgrund der Schwerkraft in seiner Expansion. Erst dann wurde es groß genug, dass dunkle Energie die Schwerkraft überwältigen und die Expansion zur Beschleunigung zwingen konnte. Denken Sie nicht, dass das "Kurven" der Raumzeit eine lokale Kontraktion beinhaltet? Sie können den 3D-Raum nicht in 3D krümmen, ohne einen Teil davon zu erweitern und einen anderen Teil zusammenzuziehen.

— Zephyr

Antworten:

Die Menge an Materie im Universum hängt direkt mit der Krümmung des Raums selbst zusammen. Wir können uns die Friedmann-Gleichungen ansehen, um zu sehen, wie dies funktioniert: Dies ist die Gleichung für Bestimmen des Skalierungsfaktors zum Finden von Entfernungen im Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt. Hier ist die Hubble-Konstante, ist der Skalierungsfaktor, ist die Gravitationskonstante, ist die Dichte der Materie (sowohl dunkle Materie als auch baryonische Materie), ist die Dichte der Strahlung (Photonen), ist die kosmologische Konstante aufgrund dunkler Energie und

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

$\mathscr{R}$ ist der Krümmungsradius des Raums.

Als nächstes definieren wir eine Größe, die wir "kritische Dichte" ( ) nennen. Dies ist die Materiedichte, die benötigt wird, um das Universum von einer "offenen" hyperbolischen Geometrie zu einer "geschlossenen" sphärischen Geometrie zu bewegen. . Wir erstellen einen Wert , um diese kritische Dichte zu berücksichtigen, und bilden unsere Gleichung: $\rho_c$ $\rho_c=\frac{3H^2}{8\pi G}$ $\Omega=\frac{\rho}{\rho_c}=\frac{8\pi G \rho}{3H^2}$

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

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

Von hier aus geben wir für alles unsere heutigen Werte ein. Wir definieren als 1 und als . Wir vernachlässigen auch die Dichte der Strahlung und der dunklen Energie. Wenn wir die Gleichung ein wenig vereinfachen, erhalten wir: $R$ $H$ $H_0$

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

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

Von hier aus können wir sehen, dass die Krümmung des Universums von abhängt , was in direktem Zusammenhang mit der Dichte der Materie im Universum steht. Insbesondere für ist positiv, was bedeutet, dass dies ein sphärisches, geschlossenes Universum ist. Wenn $\Omega_{m,0}$ $\Omega_{m,0}\gt1$ $\mathscr{R}$ $\Omega_{m,0}\lt1$ , negativ ist, bedeutet dies, dass sich das Universum für immer ausdehnt und eine hyperbolische Krümmung aufweist. Wenn , dann ist , was ein flaches Universum ist. $\mathscr{R}$ $\Omega_{m,0}=1$ $\mathscr{R}=\infty$

Wir können also sehen, dass die Schwerkraft bei einem ausreichend dichten Universum den Raum krümmt und ihn kugelförmig macht. Sie können auch die Friedmann-Gleichung verwenden, um den Verzögerungsparameter des Raums zu berechnen - wie schnell sich die Expansion verlangsamt oder beschleunigt:

q_{0} = \frac{Ω_{m, 0}}{2}

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

Hier können wir das in einem positiv gekrümmten Universum sehen, $q_0>0$ Dies bedeutet, dass sich die Expansion des Universums verlangsamen wird. Schließlich wird die Expansionsrate negativ sein und dann in sich zusammenfallen.

Eine Sache, die Sie beachten sollten, wenn Sie darüber nachdenken, ist, dass die Schwerkraft in gewisser Weise als „fiktive Kraft“ betrachtet werden kann. Die Schwerkraft ist die Kraft, die Objekte fühlen, wenn sie versuchen, sich in geraden Linien durch die gekrümmte Raumzeit zu bewegen. Materie ist für die Krümmung der Raumzeit verantwortlich. Wenn Sie also die Dichte der Materie im Universum erhöhen, erhöhen Sie die Krümmung und lassen Objekte näher zusammenrücken, was die Dichte erhöht und die Krümmung erhöht. So haben Sie einen Feedback-Zyklus, in dem Sie letztendlich alle Materie an einem einzigen Punkt sammeln und $\mathscr{R}=0$ Die Raumzeit hat also einen Krümmungsradius von 0, was bedeutet, dass die Raumzeit ebenfalls zusammengebrochen ist.

— Phiteros
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Sie haben gezeigt, dass die Krümmung des Universums von seiner Massendichte abhängt. Können Sie näher erläutern, wie sich der Raum dadurch zusammenziehen würde, wenn nicht aufgrund der Schwerkraft? Tatsächlich kann ich mich sehr irren, aber wenn , sollte die Schwerkraft nicht stark genug sein, um die Expansion und umzukehren?

ρ_{c} < ρ

$ρ_c<ρ$

— Sir Cumference

@ SirCumference Ich denke, Sie haben Recht, wenn die Dichte des Universums größer als die kritische Dichte ist, wird die Schwerkraft schließlich gewinnen und die Expansion umkehren.

— Dean

@ SirCumference Das ist eigentlich in eingebaut . Da , wenn , .

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, ich weiß das. Ich frage, warum Sie sagten, die Schwerkraft sei für die Kontraktion des Universums nicht relevant

— Sir Cumference

@ SirCumference Ja, ich weiß nicht, warum ich es so formuliert habe. Ich habe das spät in der Nacht geschrieben. Lass es mich überarbeiten.

— Phiteros

Mit weniger mathematischen Worten tritt das Big Crunch-Szenario auf, wenn das Verhältnis der Gesamtdichte des Universums zu seiner Expansionsrate ausreichend groß ist $^\dagger$ .

Wenn ich Ihre Frage verstehe, fragen Sie im Grunde: " Warum sollte sich ein ausreichend dichtes Universum nicht einfach zu einem Klumpen zusammenziehen? Warum muss es den Raum selbst mit sich ziehen? "

Und diese Frage beantworten Sie grundsätzlich selbst: Ja, der Raum ist in der Tat an die Materie "gebunden" . Dies ist die Essenz der Friedmann-Gleichung und der allgemeinen Relativitätstheorie im Allgemeinen. Meines Wissens gibt es keinen "Beweis" dafür, außer, es ist eine der Grundlagen von GR, die sich bisher als äußerst erfolgreiche Theorie erwiesen hat. In mäßig überdichten Regionen (Galaxienhaufen) dehnt sich der Raum langsamer aus als in unterdichten Regionen (Hohlräumen). In sehr überdichten Regionen (Galaxien, Sterne, Katzen usw.) dehnt es sich überhaupt nicht aus. Und in extrem überdichten Regionen (Schwarzen Löchern) zieht sich der Weltraum zusammen. Im Falle eines Schwarzen Lochs zieht sich der Raum nur lokal zusammen, aber im Prinzip könnte das gesamte Universum dasselbe tun. Nur die Erweiterung verhindert dies und scheint es für immer verhindern zu können.

Wir glauben, dass das Universum homogen und isotrop ist; Wenn dies tatsächlich der Fall ist, könnte sich die Materie nicht zu einem Punkt innerhalb des Universums zusammenziehen und ein riesiges Schwarzes Loch in einem ansonsten expandierenden Universum bilden, da jedes Stück Materie in alle Richtungen gleich angezogen wird. Sie könnten sich vielleicht vorstellen, dass sich Materieklumpen auf sehr großen, aber subuniversalen Skalen zusammenziehen, um viele supersupermassive Schwarze Löcher zu erzeugen, aber wie sich herausstellte, war die Expansionsrate im frühen Universum einfach zu groß, um dies zu tun, und jetzt es ist zu spät.

$^\dagger$ _{Dies ist analog zu einem nach oben geworfenen Stein, der wieder zurückfällt, wenn das Verhältnis der Anziehungskraft zwischen Erde und Stein zu der Geschwindigkeit, mit der er geworfen wird, ausreichend groß ist.}

— Pela
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Sie können Mathematik verwenden, ich bin der Friedmann-Gleichung und anderen Begriffen ausgesetzt. Wie auch immer, Sie scheinen zu glauben, ich schlage eine neue Idee vor. Ich versuche vielmehr, die Logik der Big Crunch-Hypothese zu verstehen, die ziemlich bekannt ist. Keine der Beschreibungen, die ich gefunden habe, stimmt mit Ihren überein - und obwohl ich zustimme, dass Ihre sinnvoll ist, wenn , spreche ich von einem Universum, in dem . Das ist die wichtige Idee der Big Crunch-Hypothese, dass sich das Universum irgendwann zusammenziehen würde. Ich versuche zu verstehen, wie diese Kontraktion funktionieren würde.

ρ_{c} = ρ

$\rho_c = \rho$

ρ_{c} < ρ

$\rho_c < \rho$

— Sir Cumference

Außerdem klären Sie nicht, ob sich durch Gravitation anziehende Körper in den kommenden Entfernungen ändern. Ich gehe davon aus, dass Sie, wenn Sie "in überdichten Regionen Raumkontrakte" sagen, implizieren, dass zwei anziehende Objekte in der Entfernung nicht abnehmen?

— Sir Cumference

@ SirCumference: Nein, nein, ich dachte nicht, dass Sie eine neue Theorie vorgeschlagen haben. Ich habe Ihre Frage als "Warum passiert das nicht?" Gelesen. Und der Grund, warum ich keine Mathematik verwendet habe, war, dass sie im Grunde in Phiteros 'Antwort angegeben ist. Auf wird sich ein Universum nicht zusammenziehen, nur ein . Und diese Kontraktion wird in kommenden Koordinaten stattfinden. Moderate lokale Überdichten verzögern oder stoppen die Kontraktion in com. Koordinaten (Cluster und Galaxien) und lassen Dinge in physikalischen Koordinaten zusammenbrechen, bis etwas dies verhindert (z. B. Strahlungsdruck in einem Stern). Wenn die Überdichte zu groß ist (ein Schwarzes Loch),…

ρ = ρ_{c}

$\rho=\rho_c$

ρ > ρ_{c}

$\rho>\rho_c$

— Pela

… Dann kann nichts verhindern, dass der Zusammenbruch in phys. Koordinaten, die zu einem Zusammenbruch in com führen. Koordinaten., dh eine Singularität. Dieses Szenario unterscheidet sich jedoch von der großen Krise in dem Sinne, dass für ein BH nur das BH anzieht, sodass die Materie in phys. Koordinaten in Richtung Mitte. Für das Universum gibt es keine zentrale Masse, also wird es keine Bewegung in phys geben. Koordinaten (außer natürlich für kleine "eigenartige" Velocite).

— Pela

In der Tat würde es bedeuten, dass das Universum ein Zentrum entwickelt hat, wenn es ein Schwarzes Loch aus aller Materie mit einem leeren Raum um es herum geben würde. Aus dieser Perspektive muss man das Informationsparadoxon eines solchen Szenarios betrachten. Wenn sich alle Wellen durch die Prinzipien der Frequenzmodulation und -wechselwirkung wieder gegenseitig falten würden, würde dies zu einer so großen Komplexität führen, dass die Komprimierung dieser Materiemenge eine Zeitverzerrung, eine hohe Temperatur und einen so großen Informationsknoten verursachen würde, dass sie so groß sind würde mehr Universen schaffen als im ursprünglichen Expansionszustand.

— com.prehensible